libro sensores electroquimicos

7/31/2019 libro sensores electroquimicos

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Diseo y Aplicacin de SensoresElectroqumicos basados en

Molculas Orgnicas Conductoras

Tesis Doctoral

Manuel Cano Luna

Departamento de Qumica Fsica yTermodinmica Aplicada

Noviembre 2008

TTCCNNQQ TTTTFF

TTCCNNQQ--TTTTFF


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TITULO: Diseo y aplicacin de sensores electroqumicos basados en molculasorgnicas conductoras

AUTOR: MANUEL CANO LUNA

Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Crdoba. 2008Campus de RabanalesCtra. Nacional IV, Km. 39614071 Crdoba

www.uco.es/publicaciones

[email protected]

ISBN-13: 978-84-7801-931-1D.L.: CO-118/2009


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Departamento de Qumica Fsica

y Termodinmica Aplicada

Universidad de Crdoba

DISEO Y APLICACIN

DE SENSORES ELECTROQUMICOS

BASADOS EN MOLCULAS ORGNICAS CONDUCTORAS

Tesis Doctoral

Manuel Cano Luna

Crdoba, Noviembre 2008


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DISEO Y APLICACIN

DE SENSORES ELECTROQUMICOS

BASADOS EN MOLCULAS ORGNICAS CONDUCTORAS

DIRECTOR,

Fdo.: Rafael Rodrguez Amaro

Profesor Titular del Departamento de

Qumica Fsica y Termodinmica

Aplicada de la Universidad de Crdoba

Trabajo presentado para optar al grado de Doctor en Ciencias Qumicas

Fdo.: Manuel Cano Luna

Licenciado en Ciencias Qumicas


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DEPARTAMENTO DE QUMICA FSICA

Y TERMODINMICA APLICADA

UNIVERSIDAD DE CRDOBA

D. Rafael Rodrguez Amaro, Profesor Titular del Departamento del Departamento de

Qumica Fsica y Termodinmica Aplicada de la Universidad de Crdoba.

INFORMA:

Que el trabajo presentado como Tesis Doctoral por D. Manuel Cano Luna,

titulado Diseo y Aplicacin de Sensores Electroqumicos basados en

Molculas Orgnicas Conductoras, ha sido realizada bajo mi direccin en los

laboratorios de este Departamento, as como en las instalaciones del

Departamento de Qumica Analtica de la Universidad Complutense de Madrid y

del Laboratorio de Electroqumica, Materiales Inteligentes y mecanismos

(CEMI) de la Universidad Politcnica de Cartagena, y rene las condiciones

exigidas segn la legislacin vigente.

Y para que conste, firmo el presente en Crdoba a veintinueve de septiembre de

dos mil ocho.

Fdo.: Rafael Rodrguez Amaro


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DEPARTAMENTO DE QUMICA FSICA

Y TERMODINMICA APLICADA

UNIVERSIDAD DE CRDOBA

D. Luis Camacho Delgado, Catedrtico y Director del Departamento de Qumica Fsica

y Termodinmica Aplicada de la Universidad de Crdoba

INFORMA:

Que el trabajo presentado como Tesis Doctoral por D. Manuel Cano Luna,

titulado Diseo y Aplicacin de Sensores Electroqumicos basados en

Molculas Orgnicas Conductoras, ha sido realizada en los laboratorios de este

Departamento, as como en las instalaciones del Departamento de Qumica

Analtica de la Universidad Complutense de Madrid y del Laboratorio de

Electroqumica, Materiales Inteligentes y mecanismos (CEMI) de la Universidad

Politcnica de Cartagena, y rene las condiciones exigidas segn la legislacin

vigente.

Y para que conste, firmo el presente en Crdoba a veintinueve de septiembre de

dos mil ocho.

Fdo.: Luis Camacho Delgado


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El trabajo que engloba la presente Memoria se ha realizado durante el periodo de

disfrute de un Contrato de Investigacin a jornada parcial con cargo al Proyecto del

Ministerio de Educacin y Ciencia titulado Sales Orgnicas Conductoras. Formacin

y Empleo como material electrdico (CTQ2004-01677). Ha sido financiado por losProyectos CTQ2004-01677 y CTQ2007-60387 del Ministerio de Educacin y Ciencia.


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AGRADECIMIENTOS

A mi director, D. Rafael Rodrguez Amaro, que me ha sabido orientar durante el

desarrollo de esta tesis. Mi agradecimiento.

A Beatriz y Antonio porque sin ellos esta tesis no hubiera sido posible. A Loren por

su inestimable ayuda. Tambin a todas las personas que forman o han formado parte de

este Departamento, por su colaboracin y por ser mi familia durante todo este tiempo.

A Rafa y a Juanjo, mis compaeros de piso, por los buenos momentos vividos. A los

compaeros de la Universidad Pablo Olavide con los que he compartido este ltimo

ao. Especialmente a Jos Mara por confiar en m y apoyarme en todo momento.

Finalmente, a todos los miembros de mi familia, que nunca han dejado de animarme,

gracias por vuestro apoyo incondicional. Y a Aurora, por todo.

Bueno, si ests leyendo esto, es muy posible que merezcas estar en esta pgina. Si no

ests, no lo tengas en cuenta, as que GRACIAS.


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A mis padres

Y a mi hermana


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ndice

OBJETIVOS......................................................................................................................1

RESUMEN........................................................................................................................4

Captulo I. INTRODUCCIN.........................................................................................8

1. Molculas Orgnicas Conductoras......................................................................10

2. Sensores Qumicos y Biosensores.......................................................................19

3. Electrodos Compsitos........................................................................................41

4. Electrodos Modificados Qumicamente...............................................................45

5. Tcnicas Electroqumicas....................................................................................52

Captulo II. EXPERIMENTAL.....................................................................................67

Captulo III. SENSORES DE DETECCIN AMPEROMTRICA.............................73

1. Preparation and Characterization of a PVC/TTF-TCNQ Composite Electrode..75

2. A PVC/TTF-TCNQ Composite Electrode for use as Detector in Flow Injection

Analysis...............................................................................................................90

3. Simultaneous determination of ascorbic and uric acid by using a PVC/TTF-

TCNQ composite electrode as detector in FIA system.......................................98

4. A new, third generation, PVC/TTF-TCNQ composite amperometric biosensor

for glucose determination..................................................................................110


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Captulo IV. SENSORES DE DETECCIN VOLTAMTRICA..............................124

1. A TTF-TCNQ Electrode as Voltammetric Analogue of an Ion-Selective

Electrode............................................................................................................126

2. Use of Butler-Volmer treatment to assess the capability of voltammetric ion

sensors. Application to a PPy/DBS film for cations detection..........................140

3. A new method based in the Butler-Volmer equation to evaluate Voltammetric

cation and anion sensors....................................................................................152

DISCUSIN CONJUNTA............................................................................................177

CONCLUSIONES.........................................................................................................182

APNDICES.................................................................................................................186


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OBJETIVOS


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El trabajo desarrollado en la presente Memoria se encuadra en la lnea de

investigacin Sales Orgnicas Conductoras. Formacin y empleo como material

electrdico de los Proyecto CTQ2004-01677 y CTQ2007-60387 del Ministerio de

Educacin y Ciencia de Espaa. Los objetivos globales que se han marcado son:

a) La formacin de las Sales Orgnicas Conductoras (OCS), y su empleo como

material electrdico, bien a escala policristalina (polvo) o monocristalina, o bien

como pelculas delgadas (thin film).

b) Para obtener las OCS se emplean los mtodos de precipitacin-cristalizacin, de

electrocristalizacin, o de autoensamblamiento (SAMs). Una vez formadas, se

emplean en la fabricacin de electrodos tipo composite, electrodos modificados,

o electrodos ptimamente transparentes (OTEs).

c) Como constituyente de las OCS se utilizan diferentes derivados de

tetracianoquinodimetanos (TCNQ), tetratiofulvalenos (TTF) y violgenos (alquil

bipiridinas).

d) Los procesos de nucleacin y crecimiento de las sales, as como su

comportamiento electroqumico son analizados mediante diferentes tcnicas

electroqumicas, tales como Voltamperometra cclica, Cronoamperometra y

Curvas capacidad-potencial.

e) Los tipos de complejos de transferencia formados en las OCS y la orientacin

molecular en ellos se estudian mediante tcnicas espectroscpicas, empleando

espectroscopia de reflexin y/o transmisin de Infra-Rojo y UV-visible.

f) Los electrodos formados con las OCS se ensayan posteriormente como posiblesmediadores catalticos redox o biosensores.

A estos objetivos hay que aadir adems, aquellos que en la bsqueda de nuevas

formas de estudio y aplicacin, han surgido durante el desarrollo del presente trabajo.

As, fruto de la colaboracin con otros grupos de investigacin, hecho habitual en el

desarrollo de la investigacin cientfica, se han marcado nuevos objetivos tales como:

g) Desarrollo de electrodos metlicos modificados con polmeros orgnicosconductores, dada la gran versatilidad que presentan estos materiales.


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h) Aplicacin de estos electrodos en la deteccin voltamperomtrica de iones en

disolucin.


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RESUMEN


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La presente Memoria pretende avanzar en el conocimiento de los materiales orgnicos

conductores, y su potencial aplicacin como electrodos de trabajo, sensores o

biosensores electroqumicos, tanto en sistemas en continuo (FIA) como en discontinuo.

La organizacin de los resultados experimentales se ha realizado de acuerdo con una

modalidad establecida por la Comisin de Doctorado de la Universidad de Crdoba,

segn la cual, la Tesis doctoral podr ser constituida por el conjunto de trabajos

publicados, o pendientes de publicacin, por el Doctorando. En esta modalidad de Tesis

se deben incluir adems, otras secciones tales como objetivos, resumen, introduccin,

discusin conjunta de los resultados y conclusiones.

En la Introduccin, que constituye el Captulo I, se ha profundizado en aquellos

aspectos que pueden ser interesantes, y que se han tratado en los artculos de una

manera ms somera. As, la Introduccin queda dividida encinco bloques principales.

En el primero de ellos se hace una revisin general de las molculas orgnicas

conductoras conocidas. En el segundo, se desarrolla con profundidad el concepto de

sensor electroqumico y los tipos existentes, haciendo ms hincapi en los biosensores

amperomtricos. En tercer lugar, se explica el concepto de electrodos compsitos y el

inters que presentan este tipo de metodologas. En el bloque cuatro, se describen los

electrodos modificados as como sus posibles aplicaciones. Finalmente, se tratan

brevemente los fundamentos tericos de las tcnicas electroqumicas empleadas en el

desarrollo de esta tesis.

En el Captulo II, denominado Experimental, se describen los aspectos tcnicos de

los diferentes montajes empleados a lo largo de la presente memoria.

La relacin de trabajos publicados se ha distribuido en 2 captulos atendiendo a lossistemas de deteccin empleados en dichos artculos, es decir, por un lado deteccin

amperomtrica y por otro deteccin voltamtrica. A continuacin, se describe de

manera resumida cada uno de ellos.

El Captulo III, titulado Sensores de deteccin amperomtrica, comprende cuatro

artculos en los que se va desarrollando un nuevo electrodo compsito de PVC/TTF-

TCNQ que ser aplicado en la determinacin electroanaltica de distintos analitos de

inters en el mbito de los anlisis clnicos.


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En el primero de ellos, se describe la metodologa seguida para la preparacin y

caracterizacin del electrodo compsito final. Partiendo del electrodo conocido de

PVC/Grafito se obtienen varios compsitos diferentes, mediante el reemplazamiento

progresivo de la fase conductora de grafito por la sal orgnica conductora TTF-TCNQ.

Una vez obtenida la mejor composicin se estudiar tambin la proporcin de PVC

(fase no conductora) empleada con el objetivo de mejorar las propiedades electrnicas

del compsito obtenido. Todo ello aplicando la voltamperometra cclica como tcnica

electroqumica.

En el segundo de ellos, se lleva a cabo un estudio comparativo de las propiedades

electroanalticas de dos compsitos, el conocido de PVC/Grafito y el obtenido en eltrabajo anterior de PVC/TTF-TCNQ, con respecto a la determinacin de cido

Ascrbico. El estudio se lleva a cabo tanto en sistemas en continuo como en

discontinuo. En este caso se emplear adems la Amperometra como tcnica de

determinacin.

En el tercero, el electrodo compsito de PVC/TTF-TCNQ propuesto se aplica en la

determinacin simultnea y amperomtrica de dos analitos que suelen aparecer de

manera conjunta en fluidos biolgicos, como son los cidos Ascrbico y rico. Se

propone un nuevo mtodo que, mediante la medida amperomtrica a dos potenciales

distintos, permite la cuantificacin de ambos analitos en una mezcla.

En el cuarto, se llevan a cabo distintas estrategias para la inclusin de la enzima

glucosa oxidasa en el compsito de PVC/TTF-TCNQ. Una vez obtenida la ms

adecuada se aplica a la determinacin de glucosa, tanto en sistemas en continuo como

en discontinuo, y se estudia el efecto de los posibles interferentes.

Mientras que el Captulo IV, se titula Sensores de deteccin voltamtrica, y

comprende tres artculos en los que se desarrolla una nueva metodologa para la

determinacin selectiva de iones en disolucin, la cual, se llevar a cabo mediante

diferentes electrodos de trabajo. Por un lado, se emplea el compsito de PVC/TTF-

TCNQ y por otro, electrodos metlicos modificados con distintos polmeros de pirrol.

En el primero, se utiliza el compsito de PVC/TTF-TCNQ y tiene lugar la activacin

separada de cada uno de los componentes del complejo de transferencia de carga de la


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7

sal orgnica conductora (TTF-TCNQ). Posteriormente, la oxidacin-reduccin del

componente activado genera una deficiencia de carga que es compensada por los iones

de la disolucin y dicho fenmeno se utiliza para determinar la concentracin de iones

en disolucin. Se finaliza con el estudio de posibles interferentes.

En el segundo, se propone un desarrollo de la ecuacin de Butler-Volmer para

explicar la pendiente obtenida en la calibracin de los sensores voltamtricos y se aplica

en la determinacin voltamtrica de cationes monovalentes mediante un electrodo

modificado Pt/PPyDBS. La ecuacin que se empleaba anteriormente, de Nicolsky-

Eiseman, era incapaz de explicar el valor de la pendiente obtenida en la calibracin de

los electrodos selectivos de iones.

Por ltimo, basndonos en las ecuaciones descritas en el artculo anterior se lleva a

cabo un estudio ms exhaustivo de dos posibles sensores voltamtricos. Se proponen los

electrodos de Pt/PPyDBS para sensor de cationes y el de Pt/PPyClO4 para aniones.

Resulta especialmente interesante el uso de la propiedad de los polmeros de pirrol de

cambiar las caractersticas superficiales de los electrodos metlicos, al variar la

sustancia dopante utilizada durante la sntesis polimrica.


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CAPTULO I


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INTRODUCCIN

1. Molculas Orgnicas Conductoras.

1.1 Fundamentos Tericos y Antecedentes Bibliogrficos.

1.2 Clasificacin.

1.3 Propiedades y Aplicaciones.

2. Sensores Qumicos y Biosensores.


2.2 Definicin y Clasificacin.

2.3 Sensores Electroqumicos.

2.4 Receptores biolgicos.

2.5 Mtodos de Inmovilizacin.

2.6 Biosensor AmperomtricoEnzimtico.

3. Electrodos Compsitos.

3.1 Clasificacin y Generalidades.

4. Electrodos Metlicos Modificados con Polmeros Conductores.


4.2 Recubrimientos Polimricos.

5. Mtodos Electroqumicos.

5.1 Voltamperometra Cclica.

5.2 Amperometra.


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1. MOLCULAS ORGNICAS CONDUCTORAS


Cuando en 1729 Stephen Gray, junto con G. Wheeler y J. Godfrey, efectu la

clasificacin de los materiales en elctricamente conductores y aislantes, nada haca

suponer que, dos siglos ms tarde, la idea de que los metales eran los conductores por

excelencia y que los compuestos orgnicos estaban situados dentro del grupo de los

aislantes iba a ser profundamente transformada.

Los compuestos orgnicos han sido considerados, durante mucho tiempo, como

representantes de los materiales aislantes. Esta concepcin comenz a cambiar de formasignificativa con la descripcin, en 1954, de un complejo de bromo-perileno que

presentaba una conductividad de 1 S cm-1 [1]. Este tipo de compuesto, en el que las

unidades orgnicas de perileno, al ser combinadas con molculas de halgeno,

presentan una conductividad comparable a la de los semiconductores inorgnicos

dopados, dio lugar a la aparicin de un nuevo trmino: metal orgnico. Sin embargo,

la bsqueda de conductores orgnicos no se intensific hasta el descubrimiento, en

1973, del complejo de transferencia de carga (CTQ) que forman el potente aceptor deelectrones tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ), sintetizado en 1960 [2], y el potente

dador electrnico tetratiofulvaleno (TTF), sintetizado en 1970 [3]. El complejo TTF-

TCNQ presenta una conductividad de tipo metlico con un mximo de 104 S cm-1 a 59

K [4].

Figura: 1. Estructura del perileno (a) y del complejo TTF-TCNQ (b).


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Durante este mismo periodo, William A. Little, basndose en observaciones de

sistemas biolgicos, propuso un modelo de superconductor que implicaba conduccin

elctrica a lo largo de cadenas de hidrocarburos lineales [5]. El inters sobre los

hidrocarburos polimricos con una extensa deslocalizacin de los electrones de tipo

foment el estudio de sistemas como el poliacetileno, (CH)x. Sintetizado a finales de los

aos 50 por Natta y col. [6], se haba observado que la baja conductividad que

presentaba a temperatura ambiente (el poliacetileno en estado puro es un aislante) poda

incrementarse por exposicin a aceptores de electrones. Aos ms tarde, en 1967, un

error fortuito en la sntesis de Natta condujo a Shirakawa y col. a la obtencin de

lminas de poliacetileno que presentaban brillo metlico [7]. Pero hubo que esperar

hasta 1977 para observar cmo la conductividad de las lminas de poliacetileno

aumentaba de 10-9 a 500 S cm-1 a temperatura ambiente al exponerlo a fuertes aceptores

de electrones como el iodo [8]. H. Shirakawa, A.G. MacDiarmid y A.J. Heeger haban

descubierto los polmeros conductores, hecho por el cual les fue otorgado el Premio

Nobel de Qumica en el ao 2000.

Figura: 2. Estructura del trans-poliacetileno.

El estudio del poliacetileno dopado contribuy en gran medida a la comprensin del

proceso de conduccin, introduciendo nuevos conceptos que ms tarde reapareceran en

los modelos utilizados para explicar el fenmeno de la superconductividad. Esta

propiedad fue encontrada por primera vez en un compuesto orgnico en 1980. Jrme y

col. descubrieron que las sales de tetrametiltetraselenofulvaleno o TMTSF,

[(TMTSF)2PF6], son superconductoras con una temperatura de transicin de 0.9 K a 12

kbar de presin [9]. En la actualidad se ha sintetizado un gran nmero de

superconductores orgnicos con temperaturas de transicin ms elevadas a presin


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atmosfrica. Ms reciente es el descubrimiento de superconductividad en sales de

fullereno C60, con temperaturas de transicin en el intervalo de 10 a 45 K [10].

Figura: 3. Estructura del TMTSF (a) y del fullereno C60 (b).

De este modo, las tablas de conductividad de los distintos materiales tuvieron que

recoger un nuevo tipo de materiales orgnicos en la zona de los semiconductores y los

conductores, hasta entonces ocupada nicamente por metales (Figura: 4).

La gran cantidad de actividad cientfica desarrollada en el campo de los metales

orgnicos es indicativa del gran inters que han suscitado estos nuevos materiales, que

presentan propiedades muy atractivas tanto desde el punto de vista cientfico comotecnolgico. Un reflejo de tal actividad e inters es el gran nmero de publicaciones y

artculos de revisin y divulgacin relacionados con este nuevo campo de la ciencia que

aparecieron durante la pasada dcada [11-14].


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Figura: 4. Valores de conductividad de distintos materiales.


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1.2 Clasificacin

En general, los denominados metales orgnicos se suelen clasificar en cuatro tipos

fundamentales: polmeros conjugados, complejos o sales de transferencia de carga,

metalomacrociclos y fullerenos (Figura: 5).

Figura: 5. Metales orgnicos.

a) Polmeros conjugados: idealmente, los polmeros conductores son sistemas lineales

infinitos, perfectamente ordenados, construidos por repeticin de unidades que

contienen electrones de tipo , de tal forma, que no exista interrupcin de la

conjugacin. Todos los polmeros conjugados son semiconductores o aislantes que, por

inyeccin de cargas positivas (huecos) o negativas (electrones) en las cadenas (dopado),se transforman en conductores. El descubrimiento de las propiedades conductoras del

poliacetileno dopado propici la sntesis de otros polmeros conjugados de mayor

estabilidad, solubilidad y procesabilidad. Disponemos, por tanto, de unos materiales que

combinan las propiedades elctricas y pticas de los metales y los semiconductores, con

las propiedades mecnicas (ligereza, flexibilidad y moldeabilidad), bajo coste y

procesabilidad de los plsticos [15]. A estas ventajas, hay que aadir, adems, la

versatilidad qumica de estos materiales, que permite modificar sus propiedadesmediante sntesis qumica. En la mayora de ellos, la unidad que se repite es un ciclo,


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como el benceno, o un heterociclo, como el pirrol, el furano o el tiofeno, dando lugar a

polifenileno, polipirrol, polifurano o politiofeno, respectivamente, cuyas

conductividades en estado dopado son del orden de 102-103 S cm-1 [13].

b) Metalomacrociclos: son complejos metlicos formados por un sistema

macrocclico, como ftalocianinas o tetrabenzoporfirinas, coordinado con un metal de

transicin capaz de hexacoordinarse (Fe, Co, Cr, etc.). Conectando estos complejos a

travs de un ligando unido al metal del metalomacrociclo se obtienen polmeros que,

tras el dopado con un aceptor electrnico, se transforman en polmeros conductores

cuyas propiedades se pueden modular variando la naturaleza del metalomacrociclo, del

tomo metlico central o del ligando puente [16]. Por otro lado, los macrocicloscristalizan formando columnas en las que las molculas se disponen paralelamente a lo

largo del eje de apilamiento. El solapamiento de orbitales tipo permite una

deslocalizacin de los electrones a lo largo del apilamiento, dando lugar a materiales

conductores quasi-unidimensionales. En estos casos, no es necesaria la presencia del

tomo metlico para lograr conductividades elevadas [17]. A pesar de que su

conductividad es menor que la del poliacetileno, su estabilidad es mucho mayor.

c) Fullerenos: constituyen la tercera forma alotrpica del carbono, siendo las otras dos

el grafito y el diamante. Son molculas discretas formadas por un nmero definido de

tomos. Una de ellas, el C60, es una molcula constituida por 60 tomos de carbono

situados sobre la superficie de una esfera, en la que cada tomo est unido a tres vecinos

mediante un enlace tipo sp2. As, el electrn de tipo que queda por cada tomo de

carbono se encuentra deslocalizado sobre la superficie de la esfera en orbitales

moleculares de tipo . La molcula de C60 en estado neutro posee una estructura

electrnica de capa cerrada dando lugar a un slido molecular aislante. Sin embargo, eldopado con metales alcalinos o alcalinotrreos da lugar a una banda de conduccin

parcialmente llena con la estequiometria M3C60 (siendo M3 = K3, Rb3, Cs2Rb, etc.) [18].

La conductividad en los fullerenos se debe al solapamiento de los orbitales de

molculas vecinas cercanas. La forma de las molculas, junto con la estructura

cristalina, hace de los M3C60 conductores tridimensionales. Esta nueva familia de

conductores moleculares presenta, adems, el fenmeno de superconductividad [19].


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d) Complejos y sales de transferencia de carga: con esta denominacin se pretende

incluir a los compuestos en los que se produce una transferencia parcial de carga de una

molcula dadora a una molcula aceptora, formando un cristal de tipo inico en el que

los aniones, los cationes, o ambos son grupos qumicos de alguna complejidad. El

arquetipo de complejo de transferencia de carga conductor es el TTF-TCNQ, que ser la

sal orgnica conductora empleada en esta tesis para la creacin de un nuevo electrodo

compsito (Captulo III). Dicho complejo presenta una estructura cristalina en la que las

unidades de TTF y TCNQ se disponen paralelamente formando pilas separadas de

molculas dadoras y aceptoras [20]. Experimentalmente se comprueba que, aunque la

estequiometria dador/aceptor en el cristal es 1:1, hay una transferencia de carga

fraccionaria entra ambos apilamientos (0.59e, es decir, hay 59 electrones deslocalizados

sobre cada 100 molculas en cada pila de TCNQ), dando lugar a un sistema de valencia

mixta en el que coexisten molculas cargadas y molculas neutras. El solapamiento

entre las nubes electrnicas de molculas vecinas da lugar a bandas electrnicas

parcialmente llenas y proporciona un camino de deslocalizacin que permite la

movilidad de los electrones desapareados a travs de los apilamientos. De este modo,

los cristales de TTF-TCNQ presentan una conductividad elctrica de tipo metlico que

aumenta de 500 S cm-1, a temperatura ambiente, hasta un mximo de 104 S cm-1 a 59 K.

Figura: 6. Proyeccin de la estructura cristalina del complejo TTF-TCNQ a lo largo del eje X [20]. Losapilamientos separados del TTF y TCNQ se disponen a lo largo del eje Y. Las molculas de TCNQ(crculos negros) estn en primer plano.

Para formar complejos orgnicos de transferencia de carga (CTC) conductores, se

necesita que, en el slido, las molculas de dadores y aceptores se ordenen enapilamientos segregados, en los que los orbitales HOMO de las molculas dadoras


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interaccionen por una parte, y los orbitales LUMO de las molculas aceptoras lo hagan

por otra, dando lugar a la formacin de bandas electrnicas que permitan la

deslocalizacin de los electrones y, en consecuencia, a conductividades elevadas. Por

otra parte, para obtener sistemas conductores estables son necesarias molculas capaces

de formar radicales estables. Adems, la transferencia de carga entre las molculas

dadoras y aceptoras en el slido ha de ser parcial para conseguir compuestos de valencia

mixta con conductividad de tipo metlico.

En la Figura: 6 se puede ver cmo las molculas de dador y aceptor se disponen en

apilamientos separados en el complejo TTF-TCNQ, situndose las molculas de TCNQ

en primer plano (crculos negros) y las molculas de TTF en un segundo plano.

1.3 Propiedades y Aplicaciones

Los materiales orgnicos conductores constituyen una nueva generacin de materiales

funcionales con numerosas aplicaciones ligadas a las propiedades que presentan

(Figura: 7). Una de las grandes ventajas que ofrece este tipo de compuestos es la

posibilidad de modular dichas propiedades mediante la introduccin de sustituyentes y

heterotomos, as como con el nivel de dopado. Por otra parte, en el caso de los

polmeros conductores, se combinan las propiedades electrnicas y pticas de los

metales y los semiconductores con las interesantes propiedades mecnicas y las ventajas

de procesado de los polmeros.

Propiedades como la conductividad elctrica, con transiciones metal-aislante a bajas

temperaturas, y la posibilidad de ser dopados reversiblemente hacen de estos materiales

componentes electrnicos tiles para el desarrollo de bateras, sensores (narices y

lenguas electrnicas), dispositivos electrnicos (diodos, transistores) o clulas

fotovoltaicas [21].


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Figura: 7. Relacin entre la sntesis qumica, los nuevos materiales orgnicos elctrica, magntica y/upticamente activos que de ella resultan y las enormes posibilidades tecnolgicas que de ellos derivan[13].


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2. SENSORES QUMICOS Y BIOSENSORES


El creciente inters por realizar anlisis de forma rpida y econmica, as como por

optimizar la produccin mediante anlisis en continuo (on-line), ha dirigido la

investigacin hacia la puesta a punto de mtodos analticos que sean compatibles con

sus necesidades.

Los sensores son dispositivos que transforman la informacin fsica o qumica en una

seal til que pueda ser procesada y, por tanto, que facilite informacin de inters de

una manera rpida y sin necesidad de anlisis muy complejos [22].

Estas caractersticas, combinadas con la incorporacin de los ltimos avances en

tecnologas de miniaturizacin en la fabricacin masiva de sensores, hacen de estos

dispositivos unas herramientas de gran inters en la industria.

Existen dos clases de sensores, clasificados segn el tipo de informacin que sean

capaces de transformar [22]:

- Fsicos: Dispositivos que detectan cambios en parmetros fsicos (temperatura,

presin, flujo de masa, etc.)

- Qumicos: Detectan cambios de pH, concentracin, composicin, etc.

Actualmente, la mayor parte de sensores utilizados para el control de procesos

industriales son fsicos [23], pero la necesidad de obtener informacin qumica ha

favorecido la investigacin y el desarrollo de este tipo de sensores.

Desde que se describieron los primeros sensores qumicos a principios del siglo XX

[24,25], estos dispositivos han dado lugar a una gran produccin cientfica. Sin

embargo, su aplicacin es muy limitada ya que su fabricacin se suele realizar

manualmente, y por tanto lleva asociado un elevado coste.

De esta manera, se pone de manifiesto la necesidad de desarrollar nuevos mtodos de

fabricacin de sensores qumicos que permitan una produccin automatizada,

reduciendo los costes de produccin, y poder aprovechar as la gran potencialidadanaltica que tienen estos dispositivos.


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Por este motivo, en estos ltimos 30 aos, los biosensores electroqumicos han

cobrado gran importancia, especialmente en sus aplicaciones industriales. Esto ha sido

debido a la aplicacin de tecnologas de miniaturizacin en la fabricacin de electrodos,

lo que facilita la produccin en masa de biosensores, reduciendo as los costes en su

fabricacin, y asegurando una gran reproducibilidad. De esta manera, es posible la

integracin en un rea pequea [26] de los dos o tres electrodos requeridos

habitualmente para la realizacin de medidas voltamperomtricas.

Otra de las ventajas que presenta el uso de biosensores miniaturizados es el mnimo

consumo de reactivos. Disponer de un rea de trabajo mucho menor requiere menos

cantidad de material biolgico en la fabricacin, a la vez que permite trabajar convolmenes de muestra ms pequeos. Por otra parte, estas dimensiones reducidas

permiten realizar anlisis rpidos y hacer un seguimiento de los productos incluso en

continuo (on-line) e in situ. Como inconveniente, la instrumentacin que se requiere

ha de ser mucho ms sensible, ya que la seal que se debe tratar es mucho menor.

2.2 Definicin y Clasificacin.

En el campo de la Qumica Analtica, la tendencia es simplificar el protocolo de

anlisis de una muestra determinada, reduciendo as los tiempos de anlisis y su coste.

Tradicionalmente se ha utilizado instrumentacin analtica muy sofisticada, tal como

cromatgrafos, espectrofotmetros, ICP-masas, etc., de coste elevado y que requiere

especializacin por parte del operario. Adems, este tipo de equipos son incompatibles

con anlisis en continuo o pruebas de campo.

Si bien los sensores qumicos se presentan como una clara alternativa, ya que

permiten realizar anlisis on-line, en cambio, su sensibilidad y fiabilidad es mucho

menor que la ofrecida por la instrumentacin analtica convencional.

Los campos donde los sensores qumicos han tenido una mayor implantacin son

principalmente, la biomedicina, el medioambiente y, en los ltimos aos, en la industria

alimentaria, si bien enotros sectores, como la bioseguridad, se estn desarrollando de

forma exponencial.


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21

Entre este tipo de sensores caben destacar los biosensores, ya que son los dispositivos

con ms selectividad y por tanto, con ms aplicaciones potenciales en Qumica

Analtica. Desde hace varios aos, algunos de ellos ya han sido comercializados, como

por ejemplo, los utilizados para los anlisis de glucosa en sangre, de vital importancia

en pacientes diabticos.

Un sensor qumico es un dispositivo capaz de traducir la informacin qumica de una

muestra en una seal analtica til [22]. Los sensores qumicos constan de dos

componentes bsicos: un sistema de reconocimiento o receptor y un transductor, sobre

el que se encuentra conectado el primero.

El receptor reconoce selectivamente la informacin qumica presente en la muestra, y

la convierte de forma que pueda ser reconocida por el transductor. ste la transforma, a

su vez, de una seal primaria a una seal secundaria procesable fcilmente,

generalmente elctrica u ptica. Existen tres tipos de receptores [27],

Fsicos, cuando no hay reacciones qumicas involucradas en la deteccin, un ejemplo

son los materiales piezoelctricos utilizados para detectar cambios de masa.

Qumicos, la seal proviene de una reaccin qumica, por ejemplo agentes quelatantes,

ionforos, etc.

Biolgicos, cuando el material receptor tiene una procedencia biolgica. Por ejemplo,

enzimas, anticuerpos, ADN, clulas, etc. En este caso, los sensores qumicos son

denominados biosensores (Figura: 8),

La clasificacin de los sensores y biosensores se puede realizar atendiendo a

diferentes criterios, como son el tipo de receptor utilizado, la metodologa empleadapara inmovilizar este receptor o el tipo de transductor utilizado, siendo sta la ms

aceptada [28]. En la tabla 1 se recogen los distintos tipos de sensores y biosensores

segn este criterio.


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22

Tabla: 1. Clasificacin de sensores qumicos y biosensores segn el transductor utilizado.

Tipos de transductores Descripcin

pticos

Transforman los cambios producidos enuna seal ptica por la interaccin de unanalito con el receptor.

Electroqumicos

La seal transformada es debida a unainteraccin electroqumica entre el analitoy el electrodo.

Piezoelctricos

Dispositivos que transforman un cambiode masa que se da sobre el electrodo

modificado con materiales conpropiedades piezoelectrnicas.

Trmicos

Dispositivos capaces de medir cambio decalor sobre la superficie del electrodo.

Figura: 8. Esquema genrico de un biosensor.

A continuacin se describe, con ms detalle, el grupo de sensores electroqumicos, ya

que son los utilizados a lo largo del presente trabajo.

2.3 Sensores Electroqumicos

Durante la pasada dcada, los sensores basados en transductores electroqumicosfueron los que ms publicaciones cientficas generaron (Figura: 9) [29-31]. Hecho que


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23

estaba claramente ligado al hecho de que estos dispositivos son ms robustos, su

fabricacin es ms simple y econmica que la del resto de transductores, y adems,

poseen un amplio intervalo de linealidad y tiempos de respuesta muy cortos. As mismo,

los equipos necesarios para recoger y procesar la seal, tales como potenciostatos y

conductmetros, son econmicos, de fcil mantenimiento, manejo y miniaturizacin, y

son de uso comn en la mayora de laboratorios de anlisis.

Figura: 9. Nmero de publicaciones en sensores qumicos durante la pasada dcada.

Existen tres grandes grupos de transductores electroqumicos clasificados segn la

tcnica electroqumica utilizada para obtener la informacin de la muestra;conductimtricos, potenciomtricos y amperomtricos.

Transductores Conductimtricos

Este tipo de transductores se basan en la medida de cambios de conductividad (o

alguna propiedad asociada a sta) provocados por el analito, ya sea en la solucin de


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medida o en la membrana selectiva. En algunos casos, se pueden llegar a medir incluso

cambios de conductividad del propio analito [29].

La conductividad es proporcional a la concentracin de iones segn la ecuacin:

kC

=

siendo k la conductividad especfica (S cm-1), y C la concentracin de iones (mol cm-3).

Las medidas de resistividad en corriente continua son las ms comunes para el

funcionamiento de estos sensores, aunque para registrar medidas de impedancia se

utiliza corriente alterna [32]. Estas medidas de impedancia se suelen utilizar para

caracterizar algunos lquidos y/o superficies de electrodos modificadas [33,34].

Estos dispositivos tienen una configuracin muy simple, consistente en dos electrodos

que pueden ser de diferentes materiales. Generalmente, son de algn metal noble sin

modificar, tal como oro, que puede detectar cambios de concentracin del cido

sulfhdrico; o como platino, paladio o rutenio, que pueden ser utilizados para la

deteccin de hidrgeno [35].

Tambin se han desarrollado diferentes biosensores conductimtricos [36,37]

mediante la modificacin de electrodos con material biolgico atrapado en polmeros

conductores.

Transductores potenciomtricos

Las medidas potenciomtricas consisten en la determinacin de una diferencia de

potencial en condiciones de circuito abierto entre un electrodo de trabajo y uno de

referencia.

La diferencia de potencial medida entre los electrodos se relaciona con la

concentracin del analito de acuerdo con la ecuacin de Nersnt,

0

,,

ln i

j

ZZpot

i i j ji j

RTE E a k a

nF

= + +

(1)


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25

Donde ia es la actividad del ion principal, ja la actividad del ion interferente, iZ yjZ son las cargas de los iones principal e interferente, y ,

poti jk es el coeficiente de

selectividad [38].

Los transductores potenciomtricos son el grupo de dispositivos electroqumicos ms

desarrollados y estudiados durante la pasada dcada (Figura: 10). Histricamente, el

origen de los sensores qumicos se remonta a principios del siglo XX con el desarrollo

del electrodo de vidrio [4], uno de los sensores potenciomtricos ms utilizados.

La mayor aplicacin de este tipo de sensores es la fabricacin de electrodos selectivos

de iones (ISEs) [39,40], donde se modifica el electrodo de trabajo con una membranaselectiva a un in determinado.

Los transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFETs) [41] y su

modificacin con membranas selectivas (CHEMFETs) tambin se incluyen dentro del

grupo de sensores potenciomtricos.

Recientemente han aparecido un nuevo tipo de sensores selectivos de iones

denominados Sensores Voltamperomtricos. Las curvas intensidad-potencialgeneradas proporcionan analticamente mas informacin que las curvas de potencial de

equilibrio obtenidas bajo condiciones potenciomtricas; adems, el potencial reversible

puede calcularse a partir de datos obtenidos bajo condiciones dinmicas. Requiere

preparar un electrodo por ion a determinar y se basa en ecuaciones tipo Nersnt,

adaptadas por Bond y col. [42,43], que establecen una relacin directa entre el potencial

reversible (4) y el logaritmo de la concentracin del ion en el electrolito (2 y 3). Las

ecuaciones adaptadas de Bond y col. para sensores voltamtricos son:

Para cationes: 0 logRE E S M + = + (2)

Para aniones: 0 logRE E S X = (3)

Donde [M+] y [X-] son las concentraciones de cationes y aniones, respectivamente. S

es la pendiente obtenida a partir de las curvas de calibracin, y 0E la ordenada en el

origen. El potencial reversible RE se define como:


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2

red oxp p

R

E EE

+= (4)

siendo redpE el potencial de pico de reduccin y oxpE el potencial de pico de oxidacin.

Estas ecuaciones sern las aplicadas ms adelante al electrodo selectivo de iones

PVC/TTF-TCNQ propuesto en esta tesis.

Figura: 10. Nmero de publicaciones en transductores electroqumicos durante la pasada dcada.

Transductores amperomtricos

Este tipo de dispositivos se basan en la aplicacin de un potencial fijo sobre un

electrodo de trabajo, generalmente de platino, oro o grafito, respecto a un electrodo de

referencia. Un tercer electrodo, denominado auxiliar, es necesario en la mayora de los

casos para completar la celda electroqumica [44]. Tambin es posible realizar anlisis

basados en tcnicas voltamperomtricas, variando el potencial de trabajo de forma

controlada.


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27

Los transductores amperomtricos se fundamentan en la proporcionalidad existente

entre la concentracin de una determinada especie electroactiva y la corriente elctrica

registrada al oxidarse o reducirse sobre la superficie de un electrodo polarizado. Esta

relacin intensidad-concentracin se comporta segn el siguiente modelo que proviene

de la Ley de Fick,

00

( ( , ))C o tI nFAD

x

= (5)

Donde A es el rea del electrodo de trabajo,D0 y C0 son el coeficiente de difusin y la

concentracin del analito, respectivamente, yx representa la distancia de la doble capa.

En el caso de que la solucin est agitada constantemente, se puede considerar que x

se mantiene constante y se corresponde con el tamao de la capa de difusin (). As, la

ecuacin anterior puede simplificarse obtenindose una relacin lineal entre la

intensidad medida y la concentracin del analito,

00

nFADI C

= (6)

Los biosensores amperomtricos son los que han mostrado un mayor avance debido a

su extensa aplicacin dentro del campo del anlisis mdico. Ejemplos significativos de

estos avances son los biosensores para medidas en sangre y suero.

En captulos posteriores se describir de manera ms detallada el funcionamiento de

este tipo de dispositivos.

2.4 Receptores Biolgicos.

Una de las principales caractersticas del material biolgico empleado para la

fabricacin de biosensores es su alta selectividad, permitiendo diferenciar en algunos

casos, incluso ismeros de una misma molcula. Esta particularidad hace que estos

componentes sean de gran inters en su aplicacin como receptores en la fabricacin de

sensores.


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28

Los biosensores, sobre todo los basados en transductores electroqumicos, son uno de

los campos que ms ha avanzado en cuanto a investigacin en los ltimos aos.

Existen diferentes tipos de bioreceptores que se pueden inmovilizar sobretransductores electroqumicos:

Anticuerpos

cidos nuclecos

Microorganismos

Tejidos orgnicos

Enzimas

Los enzimas son los elementos ms comnmente utilizados para la fabricacin de

biosensores debido a su bajo coste, disponibilidad en el mercado y fcil manipulacin

[45].

A continuacin se describen los diferentes receptores, haciendo especial nfasis en los

enzimas, ya que son los utilizados en el presente trabajo.

Anticuerpos

Los Anticuerpos son, junto al ADN, los agentes biolgicos ms selectivos que existen.

Debido a su estructura tridimensional puede enlazarse con una sustancia (antgeno) de

una manera muy especfica.

En los ltimos diez aos, se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar

inmunosensores [46]. El inconveniente de este tipo de material para aplicaciones en lafabricacin de biosensores es que no tiene capacidad cataltica, lo que implica el empleo

de anticuerpos o antgenos marcados, con un istopo radiactivo, enzimas, partculas

luminiscentes, etc. [47].

En el caso de los inmunosensores basados en transductores amperomtricos, el

marcaje ms utilizado es mediante enzimas. La corriente recogida por el transductor es

proporcional a la concentracin de las especies electroactivas generadas por la reaccin

enzimtica, y por tanto, proporcional a la cantidad de anticuerpos marcados [48].


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cidos nuclecos

La alta especificidad de los pares de bases (adenina/timina y citosina/guanina)

distribuidas a lo largo de la doble hlice que forma la cadena de ADN, hace este

material de gran inters en la fabricacin de biosensores.

Como en otros biosensores, las cadenas cortas de ADN (sADN) estn inmovilizadas

sobre superficies en forma de electrodos, chips o cristales segn el tipo de transductor

utilizado. La hibridacin de esta molcula inmovilizada con su par es detectada por el

transductor.

Como en el caso de los anticuerpos, este tipo de material no tiene capacidad cataltica,

por tanto, para su deteccin necesita ser marcado [45]. En el caso de utilizar

transductores amperomtricos, stos suelen estar modificados con enzimas.

Este tipo de deteccin es muy reciente [49,50]. Las primeras publicaciones basadas en

transductores electroqumicos datan de los aos 90 [51-53]. Por tanto, an no se ha

podido aprovechar el gran potencial de este material biolgico.

Microorganismos

Los microorganismos tienen una gran importancia en diferentes procesos

biotecnolgicos, en la industria vitivincola, en procesos de sntesis de frmacos, o en

tratamientos de agua.

Muchos biosensores basados en clulas han sido desarrollados para el control de

dichos procesos [45].

Los microorganismos pueden asimilar compuestos orgnicos y generar un cambio que

es detectado por el transductor. Existen publicaciones donde se utilizan sensores

amperomtricos con microorganismos inmovilizados para el control de calidad de las

aguas residuales, basados en el seguimiento de larespiracin celular [54,55].


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Tejidos orgnicos o celulares

Los tejidos orgnicos pueden ser utilizados como elemento de reconocimiento

prcticamente sin preparacin. Generalmente, tienen una gran variedad de enzimasinmovilizados, y por tanto, no son tan selectivos como otros materiales biolgicos. Por

el contrario, estn en su medio natural y es ms difcil su degradacin, lo que aumenta el

tiempo de vida del biosensor.

El nmero de publicaciones existentes en este campo es mnimo comparado con otros

receptores bioqumicos [56], an as, se reportan algunos trabajos [57,58]. Un ejemplo

de inmovilizacin sobre transductores electroqumicos es el publicado por Vieira y col

[59], donde se inmoviliza tejido celular de una patata como fuente de peroxidasa, sobre

un electrodo de grafito.

Enzimas

Los enzimas son protenas capaces de catalizar una reaccin qumica. Reaccionan de

manera selectiva con un analito o familia de analitos, acelerando la reaccin qumica, y

sin consumirse. Si la reaccin enzimtica involucra un solo sustrato, el mecanismo

bsico de la catlisis enzimtica es el siguiente:

Ks KcatE + S E-S E + P

Donde S es el sustrato, E el enzima, ES el complejo enzima-sustrato y P el producto.

Para una concentracin de enzima, la velocidad de reaccin catalizada enzimticamente

viene dada por la ecuacin de Michaelis-Menten:

max0[ ][ ]M

E Vv

k S=

+ (7)

donde Vmax es la mxima velocidad de reaccin y KM es la constante de Michaelis, que

corresponde a la concentracin de sustrato para la cual la velocidad es igual a la mitad

de la velocidad mxima. En la Figura: 11 se muestra la dependencia tpica de la

velocidad de reaccin enzimtica de la concentracin de sustrato, sealndose los

valores de los parmetros KM y Vmax, y las zonas donde la seal obtenida es til para la


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31

determinacin del sustrato y para la determinacin de la actividad enzimtica. Desde el

punto de vista analtico, a medida que se tiene una constante de Michaelis ms elevada

la sensibilidad del mtodo disminuye, pero aumenta el intervalo de linealidad.

Figura: 11. Dependencia de la velocidad de la reaccin enzimtica frente a la concentracin de sustrato.

La actividad enzimtica, est regulada por el pH del medio, la fuerza inica, la

temperatura y, requiere en algunos casos, la presencia de un cofactor. El cofactor es un

producto qumico no proteco necesario para que la reaccin enzimtica se lleve a cabo,

por ejemplo NAD+ u oxgeno.

Los enzimas estn formados por una estructura tridimensional compuesta por

pptidos, con una zona activa que reacciona con el sustrato. Esta zona activa, que

confiere especificidad a la enzima, suele estar situada en el interior del enzima.

Existen diferentes tipos de enzimas, clasificados segn el tipo de reaccin que llevan a

cabo,

Transferasas, catalizan la transferencia de un grupo qumico, de un sustrato a

otro.

Hidrolasas, catalizan reacciones de hidrlisis.


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32

Liasas, catalizan adiciones de grupos a dobles enlaces o formaciones de dobles

enlaces por eliminacin de grupos.

Isomerasas, catalizan la interconversin de ismeros.

Ligasas, catalizan la formacin de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones

de condensacin acopladas a la hidrlisis de ATP.

Oxidoreductasas, catalizan reacciones de oxidoreduccin, es decir, transferencia

de hidrgeno o electrones de un sustrato a otro. Debido a esta capacidad redox,

son el candidato ideal para su utilizacin como bioreceptores en biosensores

amperomtricos.

Los enzimas fueron los primeros bioreceptores utilizados, y siguen siendo hoy en dalos ms empleados para la fabricacin de biosensores.

Una de las grandes ventajas de la utilizacin de enzimas, a parte de su alta

selectividad, es su menor tiempo de respuesta en relacin con los otros tipos de

biosensores. Como inconvenientes, se debe tener en cuenta que pierden actividad al ser

inmovilizadas sobre la superficie del electrodo y tienen un tiempo de vida relativamente

corto.

Dos claros ejemplos de biosensores basados en enzimas son los utilizados para la

determinacin de glucosa [60,61] y urea [62,63].

2.5. Mtodos de Inmovilizacin.

La inmovilizacin del material biolgico es un proceso mediante el que se confina el

bioreceptor sobre el transductor electroqumico, para dar lugar a formas insolubles que

retienen su actividad.

Es el proceso ms importante en la fabricacin de un biosensor, ya que caractersticas

tan importantes como el tiempo de vida o la sensibilidad, dependen en gran medida de

la metodologa de inmovilizacin utilizada.

Como ventajas del empleo de material biolgico inmovilizado cabe destacar [64],

Aumento de la estabilidad del receptor biolgico.

Posible reutilizacin del biosensor, disminuyendo el coste del proceso.


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Por otra parte, los principales inconvenientes del proceso de inmovilizacin son [65],

Alteracin de la conformacin del material biolgico respecto de su estado

nativo. En el caso de la utilizacin de enzimas, prdidas de su actividad cataltica.

En general, los mtodos de inmovilizacin se suelen clasificar en dos grandes grupos

[65]; retencin fsica y unin qumica (Figura: 12).

Figura: 12. Clasificacin de los mtodos de inmovilizacin.

A continuacin se describen, con ms detalle, cada uno de los tipos de inmovilizacin

enzimtica, ya que es el componente biolgico empleado en este trabajo.

Atrapamiento

Consiste en la retencin fsica del enzima en las cavidades interiores de una matriz

slida porosa (Figura: 13), constituida generalmente por monmeros fotocurables o

polmeros del tipo poliacrilamina, PVC, colgeno, alginato, carraginato o resinas de

poliuretano. Tambin se suelen utilizar hidrogeles [66], como poly(2-hydroxyetil

metacrilato) (p(HEMA)), o polmeros conductores, como polipirrol [67].

Es una tcnica de gran sencillez desde el punto de vista experimental, y no requiere

una gran cantidad de material biolgico. Como ventaja adicional, el enzima no sufre

ninguna alteracin en su estructura. Uno de los inconvenientes es la gran barrera creada

que dificulta la difusin del analito hasta el centro activo de la enzima, aumentando el

tiempo de respuesta del sensor [28]. El Atrapamiento requiere un control riguroso de las

condiciones de polimerizacin, ya que pueden alterarse los grupos reactivos de la

protena, lo que provocara prdidas en la actividad enzimtica.


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Figura: 13. Inmovilizacin enzimtica por atrapamiento.

Microencapsulacin

En esta tcnica, los enzimas estn rodeados de membranas semipermeables que

permiten el paso de molculas de sustrato y producto, pero no del enzima (Figura: 14).

Este mtodo permite que el material biolgico est en contacto directo con el

transductor, manteniendo, a su vez, la alta selectividad de los enzimas puesto que no se

ven afectados por los cambios de pH, temperatura o fuerza inica en el medio [45].

Figura: 14. Inmovilizacin enzimtica mediante microencapsulacin.

Adsorcin en la superficie

En la adsorcin, el enzima se une a un soporte sin funcionalizar mediante

interacciones inicas (Figura: 15), fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrgeno. Se

suelen utilizar diferentes sustancias con gran capacidad de adsorber material biolgico,

como por ejemplo almina, arcillas, grafito y slica gel. Los principales factores que

influyen en la adsorcin son:


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El pH del medio: controla el nmero y la naturaleza de las cargas que presenta la

superficie de la protena y del slido.

La fuerza inica: al aumentar la fuerza inica se produce la desorcin del

enzima, ya que los iones inorgnicos se unen con ms fuerza al soporte que la

protena.

El dimetro del poro: debe ser aproximadamente dos veces el tamao del eje

mayor del enzima.

La presencia de iones que acten como cofactores del enzima, ya que pueden

incrementar la carga enzimtica del derivado.

Es un mtodo de preparacin sencilla, bajo coste y que no implica cambios de

especificidad enzimtica, pero tiene como inconvenientes que es poco estable desde el

punto de vista mecnico, y que la unin con el soporte es dbil.

Figura: 15. Inmovilizacin enzimtica por adsorcin sobre la superficie.

Entrecruzamiento (cross-linking)

Es la tcnica que se ha empleado con xito en esta tesis para la fijacin de la enzima

glucosa oxidasa en la superficie del compsito PVC/TTF-TCNQ (Captulo III.4). En la

bibliografa es ampliamente utilizada para la estabilizacin de enzimas [68]. El mtodo

consiste en la utilizacin de reactivos bifuncionales (dialdehidos, diiminosteres,

diisocianatos, sales de bisdiazonio, e incluso, diaminas, si estn activadas con

carbodiimida) que originan uniones intermoleculares entre molculas de enzima


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(Figura: 16). Los entrecruzadores ms utilizados son glutaraldehido,

hexametildisocianato y 1,5-dinitro-2,4-diflorobenceno [28].

Figura: 16. Inmovilizacin enzimtica mediante entrecruzamiento.

El entrecruzamiento permite eliminar las prdidas de actividad enzimtica debidas a

efectos difusionales, entrecruzando el material biolgico con protenas sin actividad

enzimtica y rica en residuos de lisina como, por ejemplo, la seroalbmina bovina

(BSA) [65].

Un procedimiento mixto de inmovilizacin muy comn consiste en inmovilizar el

enzima por adsorcin en una matriz polimrica, consiguindose as una elevada carga

enzimtica, y posteriormente modificarlo con entrecruzadores [69].

Unin Covalente

La metodologa de la unin covalente entre el transductor y el enzima se basa en la

activacin de grupos qumicos del soporte para que reaccionen con nuclefilos de las

protenas. De entre los 20 aminocidos diferentes que se encuentran en la estructura de

los enzimas, los ms empleados para la formacin de enlaces covalentes son

principalmente la lisina, la cistena, la arginina y los cidos asprtico y glutmico. El

resto de aminocidos, debido a su carcter hidrfobo, no se encuentran expuestos hacia

el exterior de la superficie proteica, y no pueden intervenir en la unin covalente [45].

Este tipo de inmovilizacin precisa del control de parmetros como el pH o la fuerzainica de la solucin, as como disponer de una superficie del transductor perfectamente


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limpia. La gran ventaja de este mtodo es que permite conseguir tiempos de vida muy

largos, entre 4 y 14 meses [28].

Figura: 17. Inmovilizacin enzimtica mediante unin covalente. a) no orientada, b) orientada.

En la figura: 17 se muestran los dos tipos de inmovilizacin mediante unin covalente

existentes, en funcin si el enzima est o no orientado.

2.6 Biosensor Amperomtrico Enzimtico

La primera publicacin cientfica sobre un biosensor amperomtrico se remonta a

1962, por Clark y Lions, para la determinacin de glucosa en sangre [70]. Desde

entonces, estos dispositivos, especialmente los utilizados para la determinacin de

glucosa, han sido de los ms estudiados [71].

Los biosensores combinan la elevada selectividad de los enzimas con la simplicidad

de los transductores amperomtricos. En la figura: 18 se muestra el funcionamiento

bsico de este tipo de dispositivos. El analito difunde, primero a travs de la solucin (i)y despus a travs de la membrana (ii) (en el caso de existir), hasta entrar en contacto

con el centro activo del enzima, donde reacciona generando un producto, generalmente

con propiedades redox (iii). ste es oxidado o reducido sobre el electrodo (iv),

generando un producto que difunde de nuevo a la solucin (v) [38].


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Figura: 18. Esquema de un biosensor de glucosa. (i) Difusin del analito y del cofactor al interior de la

membrana; (ii) reaccin enzimtica; (iii) difusin de los productos hacia el electrodo y fuera de lamembrana; (iv) reaccin electroqumica; (v) difusin de los productos de la reaccin electroqumica hacia

la muestra.

La intensidad recogida es proporcional a la concentracin del analito segn la ley de

Faraday (eq. (6)) estando limitada por los pasos (i) (ii) (iii). La reaccin electroqumica

suele ser mucho ms rpida que la enzimtica, por tanto no se puede considerar un paso

limitante del mecanismo global.

Se han desarrollado diferentes mtodos para la transferencia de electrones entre el

enzima y el transductor amperomtrico, lo que permite diferenciar tres generaciones de

biosensores amperomtricos (Figura: 19).

Figura: 19. Esquema de las tres generaciones de biosensores basados en oxireductasas. a) Primera,

(b)Segunda y (c) Tercera generacin.


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Primera Generacin

Estn basados en la medida de uno de los productos o del cofactor de la reaccin

enzimtica. Por tanto, es necesario que la sustancia analizada tenga propiedadeselectroqumicas.

El electrodo de Clark pertenece a este grupo. Consiste en una membrana, compuesta

por Glucosa oxidasa (GOx), inmovilizada sobre un electrodo que determina las

variaciones de oxgeno en el medio. La concentracin de glucosa presente en el medio

es cuantificada mediante la reduccin del oxgeno en el ctodo de platino a -700 mV, de

acuerdo con el siguiente mecanismo,

Glucosa + O2GOx c. glucnico + H2O2 (8)

4H+ + O2 2 H2O2

En 1973, Guilbault y Lubrano [72], desarrollaron un nuevo tipo de biosensor de

primera generacin basado en la oxidacin del agua oxigenada generada por la reaccin

enzimtica,

H2O2 O2 + 4H+ + 2e- (9)

En el caso de biosensores basados en deshidrogenasas, enzimas que facilitan el paso

de protones de una especie a otra; es necesaria la presencia del cofactor nicotamida

adenn dinucletido (NAD+). El seguimiento de la reaccin cataltica se realiza

mediante la oxidacin de NADH,

NADH NAD+ + H+ + 2e- (10)

El inconveniente de estos cofactores es la necesidad de aplicar sobrepotenciales muy

altos, que pueden oxidar o reducir a su vez otros analitos que haya en el medio

(interferentes). Adems, en este tipo de reacciones se dan procesos de polimerizacin de

los productos de reaccin, que suelen pasivar la superficie del electrodo. Todo esto

condujo a la utilizacin de mediadores, lo que dio paso a la segunda generacin de

biosensores amperomtricos [73,74].


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Segunda Generacin

La segunda generacin de biosensores incorpora un mediador que se encarga de la

transferencia electrnica entre el centro activo del enzima y la superficie del electrodo.

El mediador debe reaccionar de manera rpida con el centro activo, minimizando as

la competicin con el cofactor natural del enzima [71]. Es necesario tambin que tenga

buenas propiedades electroqumicas, por ejemplo un potencial redox prximo a cero,

con lo que se consiguen eliminar las reacciones redox de posibles interferentes [75].

Los mediadores ms utilizados, libres en disolucin o inmovilizados junto con los

enzimas, son entre otros el par ferri/ferrocianuro, 1,4-benzoquinona, derivados delferroceno, TTF, TCNQ, Meldolas blue y azul de metileno [38].

El primer biosensor de segunda generacin data de 1984, fue desarrollado por Cass y

Davis, con ferroceno como mediador [76].

Tercera Generacin

Aqu, la transferencia electrnica entre el centro activo del enzima y la superficie del

electrodo se realiza de forma directa (Figura: 19(c)). Este tipo de biosensores muestra

una mayor selectividad, puesto que trabajan a potenciales muy prximos a los

intrnsecos del enzima, quedando menos expuestos a posibles interferentes [74]. En los

ltimos aos se han desarrollado diferentes trabajos basados en este tipo de

transferencia electrnica [77-79] y en esta tesis se presentar uno para la determinacin

de glucosa.

Una de las mayores dificultades en la construccin de este tipo de biosensores es

como optimizar la transferencia electrnica entre el centro activo del enzima y la

superficie del electrodo. La gran mayora de enzimas tiene el centro activo en su interior

y hace imposible un contacto directo entre ste y la superficie del transductor. Uno de

los enzimas ms viables para su utilizacin en este tipo de biosensores es la Horse

Radish Peroxidasa (HRP), ya que su centro activo no est en el interior [38, 80].


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3. ELECTRODOS COMPSITOS.

3.1 Clasificacin y generalidades.

Un electrodo compsito puede definirse como un material que consta de al menos una

fase conductora en conjuncin con, al menos, una fase aislante, siendo el caso ms usual

un material que contiene una fase conductora y una fase aislante.

Los electrodos compsitos ofrecen muchas ventajas potenciales en comparacin con

los electrodos ms tradicionales, consistentes en una fase conductora simple. Por

ejemplo, los electrodos compsitos pueden a menudo fabricarse con gran flexibilidad a

cuanto al tamao y forma del material, permitiendo una fcil adaptacin a una granvariedad de configuraciones electrdicas. Los electrodos compsitos de metales

preciosos ofrecen ventajas en forma de un menor peso y de un menor coste en

comparacin con los correspondientes electrodos conductores puros. Una ventaja

particular en electroanlisis es la mayor relacin seal/ruido que a menudo se observa

con los electrodos compsitos (con respecto al electrodo conductor puro), lo que

generalmente se traduce en mejores (menores) lmites de deteccin. Quizs el aspecto

ms interesante de los electrodos compsitos es la versatilidad que permiten paraincorporar especies que intensifiquen la selectividad y/o la sensibilidad del propio

material electrdico, bien mediante modificacin qumica del conductor y/o del aislante

antes de la fabricacin del compsito, o mediante incorporacin fsica dentro de la

matriz del compsito. A diferencia de los electrodos modificados superficialmente,

estos electrodos compsitos pueden ser regenerados en su superficie sin prdida de

modificador.

Los electrodos compsitos se pueden clasificar segn el modo en el que el conductory el aislante estn distribuidos dentro del material compsito (Figura: 20). Puesto que,

por definicin, un electrodo compsito consiste en al menos una fase conductora y al

menos una fase aislante entremezcladas de alguna manera, la superficie del electrodo

compsito en contacto con la disolucin consiste necesariamente en regiones de

conductor separadas por regiones de aislante. La primera clasificacin est basada en si

la disposicin del conductor y del aislante est altamente ordenada (un array) o es

aleatorio (un conjunto).


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Figura: 20. Clasificacin de los electrodos compsitos.

Los electrodos de array pueden clasificarse, posteriormente, dependiendo de si el

conductor est confinado en la superficie de un aislador (o de un aislante en la

superficie de un conductor), o el conductor ordenado penetra en el seno del material. La

mayora de los electrodos de array utilizados en Electroanlisis son superficiales y

pueden encontrarse algunos ejemplos en la revisin de Tallman y Petersen [81]. Estosarrays tienen geometras bien definidas pero, sin embargo, sus superficies a menudo no

son planas y pueden ser tambin bastantes delicadas de pulir, requirindose otra forma

de regeneracin superficial.

Por lo que se refiere a los electrodos compsitos de conjunto, stos se pueden

clasificar dependiendo de la distribucin del conductor a travs de la matriz del

compsito. Los materiales en los que las partculas de conductor estn distribuidas

aleatoriamente por todo el aislante se denominan compsitos dispersos. Una partculade conductor (o un agregado de partculas) tiene una probabilidad idntica de ocupar

cualquier punto en la matriz. En cambio, los compsitos consolidados estn formados

de tal manera que el conductor se extiende a travs del compsito de modo reticulado,

aleatorio, con regiones de aislante puro y de conductor puro que no estn

entremezcladas.

Los compsitos dispersos pueden fabricarse en forma de pasta o bien slidos. Los

compsitos dispersos slidos pueden prepararse de dos formas. El mtodo ms comn


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(mezclado con monmeros) implica la dispersin uniforme de un conductor en un

monmero que es subsiguientemente polimerizado [81]. Alternativamente, el conductor

puede dispersarse en un polmero o una cera fundidos o disueltos (mezclado con

polmeros) y permitir que la mezcla se endurezca.

Los compsitos consolidados se pueden fabricar tambin de dos maneras generales.

Una implica la impregnacin de, o bien de un conductor poroso con un aislante, o bien

de un aislante poroso con un conductor dentro del compsito (y por tanto en la

superficie del electrodo) est predeterminada por la estructura porosa del conductor o

del aislante.

La segunda manera de formar electrodos consolidados implica la mezcla de un

conductor en polvo con un polmero en polvo y el moldeado por compresin de la

mezcla. Dentro de este grupo se sitan los electrodos compsitos de grafito y PVC, que

sern el punto de partida del nuevo compsito propuesto en este trabajo, yque se trata

con ms detalle en el Captulo III. Estos materiales se llaman compsitos segregados.

En Electroanlisis, los compsitos consolidados en general, y los compsitos

segregados en particular, presentan frecuentemente ventajas en comparacin con los

compsitos dispersos.

Los electrodos de array y los electrodos compsitos impregnados conducen a travs

de regiones bastantes continuas de conductor, mayoritariamente puro y homogneo. Por

otra parte, los electrodos compsitos segregados y los dispersos conducen a travs de

regiones bastantes discontinuas, altamente heterogneas de conductor y aislante

entremezclados, un proceso descrito a menudo por modelos de percolacin [81]. Para

poseer una conductividad adecuada para su uso en Electroanlisis, un material

compsito segregado o disperso debe tener una fraccin de volumen conductor, f, algo

por encima de la composicin crtica o umbral de percolacin, fc. Esta composicin

crtica es significativamente menor para compsitos segregados que para compsitos

dispersos. Para ambos tipos de materiales, la mayor fraccin de volumen utilizable de

conductor est a menudo determinada por la estabilidad mecnica requerida para el

material, y vara fuertemente con la naturaleza del aislante y del conductor.

La superficie de un electrodo compsito puede asemejarse a un conjunto demicroelectrodos. Es este aspecto el que da lugar a las mejoras en la relacin seal/ruido


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para muchos electrodos compsitos, cuando se les compara con sus correspondientes

fases conductoras puras.

Un electrodo compsito es capaz de producir una corriente mayor por unidad de reaactiva que la del correspondiente macroelectrodo conductor puro, tanto en disoluciones

quiescentes como bajo condiciones hidrodinmicas. Puesto que el ruido y la corriente de

fondo (por unidad de rea activa) deben ser similares para ambos tipos de electrodos, el

electrodo compsito muestra, presumiblemente, la mayor relacin seal/ruido. A

medida que el recubrimiento fraccional de la superficie geomtrica del compsito por el

conductor aumenta, la relacin seal/ruido tiende a disminuir, aproximndose en el

lmite a la del electrodo conductor puro. Es por esta razn por la que los compsitosconsolidados, que poseen buena conductividad a un bajo valor de f, es presumible

muestren una relacin seal/ruido superior a la de los compsitos dispersos.

En el Captulo III.1 se lleva a cabo la preparacin de un nuevo compsito PVC/TTF-

TCNQ, basado en el conocido compsito de PVC/Grafito [82]. Este electrodo

compsito se encuadra dentro de los que poseen una disposicin aleatoria (un conjunto)

del conductor y del aislante. Y dentro de este grupo, se trata de un compsito disperso,

debido a que las partculas de conductor estn distribuidas aleatoriamente. Respecto a la

fabricacin, se emplea en forma de slido y mezclado con el polmero PVC.


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4. ELECTRODOS MODIFICADOS QUMICAMENTE.


Los electrodos de pasta de carbono y de pelcula de mercurio significan el comienzo

de una nueva era en Electroanlisis, y pueden considerarse como precursores de los

electrodos de superficie modificada. Utilizando un electrodo modificado, se intenta

ejercer un mayor control sobre sus caractersticas e influir, no slo en el potencial

aplicado, sino tambin en la reactividad superficial, pudiendo preseleccionar o anticipar

la respuesta del electrodo modificado hacia especies externas.

As, el material modificador se elige de tal manera que sea o bien selectivo (e inclusoespecfico) a un analito en particular, o bien capaz de mediar reacciones redox que son

lentas, o incluso imposibles, sobre el electrodo sin modificar. De esta forma, los

procesos redox que ocurren entre el electrodo y el analito en disolucin estn

fuertemente influidos por las caractersticas del modificador empleado. La gama de

especies modificadoras es muy amplia, variando desde depsitos metlicos o capas de

xidos metlicos, hasta el uso de materiales orgnicos, enzimas o polmeros.

La capa de modificador debe permitir la comunicacin electroqumica entre el

material del electrodo y la disolucin que contiene el analito, lo cual se asegura

normalmente gracias a la presencia de un grupo electroactivo en dicha capa

modificadora o, en algunos casos, mediante el empleo de polmeros conductores. La

unin de estos centros mediadores de material base del electrodo puede conseguirse de

muy diversas formas tanto fsicas como qumicas.

Los mtodos ms importantes para la modificacin de superficies electrdicas

aparecen en la Figura: 21. Como ocurre con cualquier otro tipo de sensor, la aplicacin

con xito de los electrodos modificados con fines analticos depende principalmente de

su capacidad para transducir la identidad o la concentracin de analito con las siguientes

propiedades: estabilidad, reproducibilidad, respuesta bien definida y bien comprendida,

posibilidad de observar el parmetro de inters en un elevado intervalo de concentracin

y ausencia de interferencias. Las principales aplicaciones de los electrodos modificados

en el rea del Electroanlisis son: (1) preconcentracin, (2) electrocatlisis y (3)

eliminacin de interferencias.


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Figura: 21. Clasificacin de los electrodos modificados.

La preconcentracin empleando electrodos modificados qumicamente presenta una

cierta analoga formal con el anlisis de trazas mediante la tcnica electroqumica de

adsorcin-redisolucin (stripping). Las especies de inters se acumulan, a partir de una

disolucin diluida, sobre la superficie del electrodo y, a continuacin, se oxidan o

reducen aplicando un barrido de potencial. Sin embargo, la qumica de la

preconcentracin depende del tipo de modificador utilizado y de la tcnica de

inmovilizacin empleada. Puede deberse simplemente a un proceso fsico de adsorcin,

o puede producirse por intercambio inico si el modificador es, por ejemplo, una resina

como la Amberlita LA2 [83], o por formacin de complejos o compuestos de

coordinacin estables cuando se emplean como modificadores sustancias tales como

dimetilglioxima, para la determinacin de trazas de Ni(II) [84,85], o 2,2-bipiridina, en

la determinacin de Fe(III) [86].

Por otro lado, la posibilidad de efectuar la deteccin amperomtrica de un analito de

inters depende de la reaccin redox que sufra dicha especie. Sin embargo, con

frecuencia, las cinticas electrdicas hacen que tales procesos ocurran a potenciales

mucho ms positivos o negativos que lo predicho por la Termodinmica. La

modificacin de la superficie de una manera adecuada puede reducir o incluso eliminar

esos sobrepotenciales, o desplazar el potencial redox a un valor al que pueda

determinarse la especie de inters sin interferencias. Adems de este desplazamiento en


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el potencial formal operacional, a menudo, la reaccin redox se produce a una velocidad

mayor que la obtenida sobre el electrodo sin modificar.

La naturaleza del soporte al cual est enlazado el centro cataltico puede variar desdematrices polimricas hasta metales, grafito o pasta de carbono. En cuanto a los

mediadores redox, existe una gran variedad de compuestos orgnicos e inorgnicos

utilizados con este fin. A este respecto, cabe destacar la revisin realizada por Wring y

Hart [87] sobre la determinacin de compuestos de importancia biolgica, utilizando

electrodos de carbono modificados con especies mediadoras orgnicas e inorgnicas

(compuestos organometlicos), la de Kulesza y col. [88] que se centra principalmente en

el empleo de pelculas inorgnicas de ftalocianinas, porfirinas y zeolitas, entre otras, lade Labuda [89] sobre las aplicaciones analticas de la electrocatlisis con electrodos

modificados en mtodos voltamperomtricos y cromatogrficos y una ms reciente, de

Lyons [90], sobre el desarrollo de materiales polimricos que pueden utilizarse como

electrocatalizadores y como sensores amperomtricos.

Por ltimo, muchas veces se desea evitar el contacto entre el electrodo y determinadas

especies que pueden encontrarse en la disolucin de la muestra, bien porque se adsorban

o bien porque sean electroactivas (interferentes) pero, a la vez, permitir el transporte de

las especies deseadas hasta la superficie del electrodo. Con este propsito, se han

empleado diversos tipos de pelculas polimricas que eliminan dichas interferencias

bien por su tamao molecular [91] o por efectos de exclusin de carga [92,93]. Otros

ejemplos de aplicaciones de este tipo se encuentran recogidas en la revisin de Wang

sobre el empleo de electrodos modificados como sensores electroqumicos [94].

Estas tres formas de utilizar analticamente los electrodos modificados,

preconcentracin, electrocatlisis y eliminacin de interferencias , no son reas aisladas

sino que a menudo es posible aplicar, mediante modificacin apropiada, varias de ellas

simultneamente, es decir, puede disearse por ejemplo, un electrodo que combine

preconcentracin con eliminacin de interferencias, o con la electrocatlisis.

Existen en la bibliografa diversas revisiones generales acerca de electrodos

modificados qumicamente [95-104]. Cabe destacar las de Murray [95], Wallace [96] y

Dong y col. [97], adems de los trabajos de Wang [105,107] y Baldwin y col. [106]sobre la aplicacin de los electrodos modificados como detectores en cromatografa


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lquida y/o inyeccin en flujo. Otras revisiones ms actuales son la de Davis [108],

sobre detectores electroqumicos que incorporan carbn como sustrato principal, y la de

Kumar [109], sobre los electrodos modificados con polmeros y los compsitos con

polmeros/nanotubos de carbono.

4.2 Recubrimientos Polimricos.

Durante la ltima dcada se han producido considerables avances en el desarrollo de

materiales polimricos que pueden ser utilizados para la obtencin de sensores qumicos

y bioqumicos. Entre stos, nos referiremos en este apartado a los electrodosmodificados con pelculas de polmeros.

Se ha demostrado que el empleo de recubrimientos polimricos para producir

superficies modificadas conlleva varias ventajas importantes desde el punto de vista del

anlisis. Quizs, la ms significativa sea que estos recubrimientos, en forma de

multicapas, proporcionan una zona de reaccin tridimensional en la superficie del

electrodo, que ocasiona un aumento en el flujo de las reacciones que ocurren en dicha

superficie, lo que a su vez produce un aumento de la sensibilidad.

Aunque los materiales polimricos han sido depositados sobre los sustratos de muy

diversas formas (enlace covalente, adsorcin, mezcla fsica, etc.), parece ser que la

electropolimerizacin es la que tiene ms ventajas, constituyendo una ruta de sntesis

polimrica simple, limpia y eficiente. Utilizando mtodos electroqumicos se pueden

controlar cuidadosamente la velocidad y la extensin del proceso de

electropolimerizacin mediante la aplicacin de las condiciones electroqumicas

adecuadas. Adems, las propiedades fsicas y qumicas del polmero resultante son

tambin controladas por dichas condiciones electroqumicas durante el proceso de

sntesis.

En comparacin con los electrodos modificados qumicamente mediante la formacin

de monocapas, los electrodos modificados con pelculas polimricas ofrecen una mayor

estabilidad fsica y qumica, una mayor densidad de centros activos (10-10-10-6 mol/cm2

corresponden a 1-105

monocapas), y una respuesta electroqumica muy sensible. Estasventajas estn asociadas con la estructura, composicin y propiedades de los polmeros


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empleados. Entre las cualidades deseables en un polmero para poder ser aplicado desde

el punto de vista analtico deben mencionarse la facilidad de preparacin, la formacin

de uniones estables con el electrodo, un largo tiempo de vida del mismo y que

proporcionen un adecuado microentorno espacial, electroesttico y qumico.

La mayora de las publicaciones estn dedicadas a un grupo especfico de materiales

polimricos. Aunque se han utilizado diversos tipos de polmeros para la modificacin

de electrodos, se pueden destacar tres grupos fundamentalmente: polmeros redox,

ionmeros cargados y polmeros conductores electrnicamente.

Los polmeros redox contienen grupos redox activos unidos covalentemente a un

esqueleto polimrico electroqumicamente inactivo. Un ejemplo de este tipo de

polmeros es el poli(vinilferroceno). Estos materiales exhiben el fenmeno de

conduccin redox, es decir, la transferencia electrnica ocurre a travs de procesos de

autointercambio secuencial (salto de electrones) entre grupos redox vecinos unidos al

esqueleto polimrico. Una caracterstica tpica de la conduccin redox es que la

conductividad es mxima al potencial normal del grupo redox inmovilizado, lo que

corresponde a la situacin en la cual la concentracin de centros oxidados y reducidos

en la pelcula es la misma.

El segundo tipo de materiales polimricos mencionado, los ionmeros cargados,

estn formados por grupos redox activos unidos electrostticamente (tales como iones

complejos metlicos multivalentes) dispersos en una matriz ionomrica a travs de un

proceso de intercambio inico. En este caso, la movilidad de la carga puede producirse ,

bien por difusin fsica de los grupos electrostticamente atrapados, o bien por salto

electrnico entre grupos vecinos, como en el caso de los polmeros redox. Estos

materiales son bastante atractivos desde el punto de vista de su fabricacin, debido a

que pueden prepararse rpidamente pelculas uniformes en las que puede variarse, de

manera reproducible, la extensin de la carga. Adems, la variedad de especies que

pueden incorporarse en matrices polimricas de intercambio inico es muy amplia.

Presentan una desventaja, y es que en estos materiales la estabilidad del reparto de los

iones depende, en gran medida, de la concentracin del electrolito soporte utilizado en

la subsiguiente aplicacin del electrodo.


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Por ltimo, el tercer tipo de material polimrico electroactivo, los polmeros

conductores electrnicamente, exhiben propiedades que son fundamentalmente

distintas de las de los polmeros redox y los ionmeros cargados. Una propiedad

caracterstica es que bajo las condiciones apropiadas, la conductividad es bastante

elevada (1-100 S/cm), debido, principalmente, al hecho de que el esqueleto polimrico

es altamente conjugado dando lugar a una deslocalizacin de la carga considerable. En

estos materiales, el transporte de carga es debido a defectos deslocaliados en la cadena ,

como pueden ser los polarones o bipolarobes, que se generan por oxidacin del

esqueleto del polmero. Este transporte de carga a lo largo de la cadena polimrica es

muy rpido. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la conductividad es, en gran

medida, funcin de la morfologa del polmero [110]. Estos polmeros son

semiconductores con una banda de valencia llena y una de conduccin

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