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Desarrollo de electrodos modificados con nanotubos de carbono multicapa (MWCNTs) para la determinaci�n de polifenoles

 

Development of electrodes modified with multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) for the determination of polyphenols

 

Desenvolvimento de eletrodos modificados com nanotubos de carbono multicamadas (MWCNTs) para determina��o de polifen�is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Correspondencia: ga.morenot@uta.edu.ec

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de julio de 2023 *Aceptado: 12 de agosto de 2023 * Publicado: �01 de septiembre de 2023

1. Universidad T�cnica de Ambato, Ecuador.
2. Universidad de las Fuerzas Armadas, Ecuador.
3. Universidad de las Fuerzas Armadas, Ecuador.�������
4. Universidad de las Fuerzas Armadas, Ecuador.
5. Universidad T�cnica de Machala, Ecuador.

Resumen

El contenido de polifenoles totales puede ser estimado de forma selectiva empleando t�cnicas electro anal�ticas como es el caso de la voltamperometr�a c�clica donde se elige de forma apropiada potenciales de oxidaci�n (0.400, 0.600 y 0.800 V), para su detecci�n con una mayor estabilidad y selectividad. En la presente investigaci�n se desarroll� una metodolog�a anal�tica utilizando un electrodo modificado con nanotubos de carbono multicapa. Para ello, se evalu� inicialmente el procedimiento de elaboraci�n de dispersiones de MWCNTs, empleando polietilenimina como agente dispersante, y su uso para la modificaci�n de electrodos de carbono v�treo. Las condiciones de elaboraci�n fueron: 0.50 mg�mL-1 de concentraci�n del nanomaterial, 0.25% (m/m) de PEI, 2000 J de energ�a de dispersi�n en PEI, centrifugaci�n (2500 rpm; 20 min) y finalmente, redisperso en agua aplicando 2000 J de energ�a. Estos electrodos presentan menores potenciales de oxidaci�n, mayor intensidad de pico y menores relaciones I/C, que los electrodos no modificados. Dadas las ventajas mostradas, se desarroll� un electrodo optimizado [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)], con el fin de detectar polifenoles totales, obteniendo mejoras en la estabilidad, reproducibilidad, mayor sensibilidad y posibilidad de detecci�n selectiva de estos compuestos. Generando una alternativa de an�lisis a los estudios espectrofotom�tricos.

Palabras Clave: Electrodos; Nanotubos de carbono (MWCNTs); Polifenoles; Voltamperometr�a.

 

Abstract

El contenido de polifenoles totales puede ser estimado de forma selectiva empleando t�cnicas electroanaliticas como es el caso de la voltamperometr�a c�clica donde se elige de forma apropiada potenciales de oxidaci�n (0.400, 0.600 y 0.800 V), para su detecci�n con una mayor estabilidad y selectividad. En la presente investigaci�n se desarroll� una metodolog�a anal�tica utilizando un electrodo modificado con nanotubos de carbono multicapa. Para ello, se evalu� inicialmente el procedimiento de elaboraci�n de dispersiones de MWCNTs, empleando polietilenimina como agente dispersante, y su uso para la modificaci�n de electrodos de carbono v�treo. Las condiciones de elaboraci�n fueron: 0.50 mg�mL-1 de concentraci�n del nanomaterial, 0.25% (m/m) de PEI, 2000 J de energ�a de dispersi�n en PEI, centrifugaci�n (2500 rpm; 20 min) y finalmente, redisperso en agua aplicando 2000 J de energ�a. Estos electrodos presentan menores potenciales de oxidaci�n, mayor intensidad de pico y menores relaciones I/C, que los electrodos no modificados. Dadas las ventajas mostradas, se desarroll� un electrodo optimizado [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)], con el fin de detectar polifenoles totales, obteniendo mejoras en la estabilidad, reproducibilidad, mayor sensibilidad y posibilidad de detecci�n selectiva de estos compuestos. Generando una alternativa de an�lisis a los estudios espectrofotom�tricos.

Keywords: Electrodes; Carbon nanotubes (MWCNTs); Polyphenols; Voltammetry.

 

Resumo

O teor de polifen�is totais pode ser estimado seletivamente utilizando t�cnicas eletroanal�ticas como a voltametria c�clica onde os potenciais de oxida��o (0,400, 0,600 e 0,800 V) s�o adequadamente selecionados para sua detec��o com maior estabilidade e seletividade. Na presente investiga��o foi desenvolvida uma metodologia anal�tica utilizando um eletrodo modificado com nanotubos de carbono multicamadas. Para tanto, foi inicialmente avaliado o procedimento de confec��o de dispers�es de MWCNTs, utilizando polietilenoimina como agente dispersante, e sua utiliza��o para modifica��o de eletrodos de carbono v�treo. As condi��es de fabrica��o foram: concentra��o de 0,50 mg�mL-1 do nanomaterial, 0,25% (m/m) de PEI, 2.000 J de energia de dispers�o em PEI, centrifuga��o (2.500 rpm; 20 min) e por fim, redisperso em �gua. 2.000 J de energia. Esses eletrodos t�m potenciais de oxida��o mais baixos, intensidade de pico mais alta e rela��es I/C mais baixas do que eletrodos n�o modificados. Dadas as vantagens apresentadas, foi desenvolvido um eletrodo otimizado [GCE(PEI-�gua/MWCNTs)], com o objetivo de detectar polifen�is totais, obtendo melhorias na estabilidade, reprodutibilidade, maior sensibilidade e possibilidade de detec��o seletiva destes compostos. Gerando uma alternativa de an�lise aos estudos espectrofotom�tricos.

Palavras-chave: Eletrodos; Nanotubos de carbono (MWCNTs); Polifen�is; Voltametria.

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Introducci�n

Los polifenoles son un conjunto heterog�neo de mol�culas que comparten la caracter�stica de poseer en su estructura varios grupos benc�nicos sustituidos por grupos funcionales hidroxilo (Hern�ndez, & Prieto; 1999), siendo los flavonoides el grupo mejor definido entre los polifenoles de la dieta humana.

Los polifenoles, especialmente aquellos que se encuentran naturalmente en los alimentos, son sustancias de creciente inter�s como resultado de sus propiedades biol�gicas como las actividades anti-oxidantes, anti-tromb�ticas, anti-bacterianas, anti-al�rgicas y anti-inflamatorias (Hurtado-Fern�ndez et al.; 2010). Como consecuencia de sus efectos ben�ficos en la salud humana (Cifuentes; 2006) y (Kris-Etherton et al., 2002), se recomienda la inclusi�n de alimentos ricos en polifenoles en h�bitos alimenticios, como nuevos suplementos diet�ticos y alimentos funcionales. El aporte principal a la dieta de este tipo de compuestos es realizado por aquellos alimentos de origen vegetal, dado a su alto contenido polifen�lico. Entre ellos, el vino es uno de los m�s representativos por la riqueza y variedad de sus componentes. Los compuestos fen�licos del vino incluyen a los �cidos fen�licos, por ejemplo: cum�rico, cin�mico, cafe�co, g�lico y fer�lico; adem�s de flavonoides (catequina, quercitina entre otros), los cuales son sintetizados por una v�a metab�lica com�n a partir de la fenilalanina (Soleas et al., 1997). Por ello, resulta de elevado inter�s el desarrollo de metodolog�as de an�lisis que permitan cuantificar el contenido total de polifenoles en los alimentos (Jackson; 2008).

Las t�cnicas electroanal�ticas resultan adecuadas para el an�lisis de polifenoles, ya que muchos de estos compuestos pueden ser oxidados electroqu�micamente a potenciales moderados. Este comportamiento electroqu�mico puede estar relacionado con las propiedades antioxidantes y su capacidad para donar electrones. Estas caracter�sticas permiten una detecci�n electroqu�mica de polifenoles con cierta selectividad y buena sensibilidad, incluso en muestras complejas como el vino. El uso de estas t�cnicas presenta algunas ventajas frente a las metodolog�as espectrofotom�tricas de an�lisis de polifenoles, como es la independencia de la se�al frente a la longitud de paso �ptico o la turbidez de la muestra (Blasco et al., 2007). Estas ventajas han llevado a la consideraci�n de t�cnicas electroanal�ticas como alternativas atractivas para el an�lisis de polifenoles.

Por lo tanto, el objetivo de esta investigaci�n es el desarrollo de un electrodo modificado con nanotubos de carbono multicapa (MWCNTs) para la determinaci�n de polifenoles.

 

Metodolog�a

Reactivos y muestras

Los �cidos: g�lico, fer�lico, cafe�co y p-cum�rico, y la catequina se adquirieron de Sigma- Aldrich (Madrid, Espa�a). Las disoluciones madre de polifenoles se prepararon disolviendo una cantidad apropiada del compuesto en metanol (grado ambiental, Alfa Aesar, Barcelona, Espa�a). Todas las disoluciones madre se mantuvieron alejadas de la luz y se almacenaron bajo refrigeraci�n. Se prepararon disoluciones diluidas diariamente a partir de estas disoluciones madre. La polietilenimina (PEI, Cat. No. P3143) se adquiri� de Sigma (Madrid, Espa�a) y se disolvi� en etanol: agua, Scharlau (Sentmenat, Espa�a). La disoluci�n reguladora (Tamp�n Ac�tico/Acetato 0.10 M pH 4.5 conteniendo NaCl 100 mM) se prepar� tomando un volumen apropiado de �cido ac�tico glacial (densidad = 1.05 g�cm-1; 99.8% pureza; Scharlau, Sentmenat-Espa�a), a�adiendo la masa correspondiente de NaCl, Panreac (Barcelona, Espa�a), posteriormente ajustando el pH 4.5 deseado con NaOH (R�dano, Italia) 1.0 M y llev�ndolo a un volumen final con agua ultrapura. Todos los dem�s productos qu�micos fueron de grado anal�tico-reactivo. Se utiliz� agua ultrapura (r> 18 MΩ cm) de un sistema Elga Purelab Opci�n Q (ELGA LabWater, UK) para preparar todas las disoluciones.

Los nanotubos de carbono multicapa en polvo (MWCNTs, 30�15 nm de di�metro, 5-20 μm de longitud, pureza >95% (m/m), tipo "tubo hueco", preparado por deposici�n qu�mica en fase vapor, con un contenido nominal de 1% (m/m) de Fe y 0.1% (m/m) de S, Lote. PD30L520-60805) se obtuvieron de NanoLab (MA, EE. UU.).

 

Instrumentaci�n

Las im�genes de la superficie del electrodo se tomaron empleando un microscopio digital (Modelo RK-10, Dino-lite, Taiwan) controlado por un software DINOCAPTURE 2.0.

Las mediciones espectrofotom�tricas se llevaron a cabo utilizando un espectrofot�metro de doble haz (Jasco V-630, Jap�n), controlado por el software SPECTRA MANAGER 2.08.04.

Los tratamientos de ultrasonidos para la preparaci�n de las dispersiones se realizaron empleando una sonda de ultrasonido Sonics Vibra Cell (modelo VCX130; Sonics & Materials, Inc., Newtown, CT, EE. UU).

 

Procedimiento de medida

An�lisis electroqu�micos

Los experimentos de voltamperometr�a c�clica se llevaron a cabo utilizando una celda electroqu�mica con tres electrodos. Se emplearon diferentes electrodos de trabajo (GCE y GCE modificado), un electrodo Ag/AgCl/NaCl 3M (BAS MF-2063) como electrodo de referencia y un alambre de platino (1 mm de di�metro) como electrodo auxiliar. Los electrodos de GCE se pulieron con al�mina de 0.3 y 0.05 μm (Buehler, Espa�a) sobre una alfombra de pulido N� 407212 (Buehler, EE. UU.) y se sometieron a limpieza ultras�nica en agua durante 1 minuto antes de su uso. Mientras que, los GCE modificados se obtuvieron depositando el volumen apropiado de la dispersi�n de MWCNTs sobre la superficie GCE limpia y dej�ndola secar durante 24 horas a temperatura ambiente. Adem�s, los GCE modificados se sometieron a 10 ciclos entre -0.20 y +1.10 V a 0.050V�s-1 en el electrolito soporte antes de cada experimento (Blasco et al., 2007).

An�lisis espectrofotom�tricos

Para realizar las medidas espectrofotom�tricas de las dispersiones de MWCNTs preparadas, estas se diluyeron previamente en agua (diluci�n 1:100). Las medidas se llevaron a cabo en cubetas de cuarzo (0.2 cm de paso �ptico) y finalmente se registraron los espectros a longitud de onda comprendida entre 200 y 600 nm. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente entre 20-25 �C.

 

Resultados y discusi�n

Optimizaci�n de dispersiones de nanotubos de carbono para modificaci�n de electrodo de carb�n v�treo (GCE).

�         Elecci�n de pol�mero de dispersi�n

En este trabajo se procedi� a la modificaci�n de GCE con una pel�cula de nanotubo de carbono (MWCNTs), dado que este tipo de modificaciones permite la detecci�n electroqu�mica de polifenoles con mayor estabilidad y selectividad. Para estas modificaciones es necesario partir de una dispersi�n estable de nanotubos de carbono, la cual se deposit� sobre la superficie del electrodo GCE, buscando obtener un recubrimiento completo y homog�neo en la superficie base. Es por ello y bas�ndose en estudios previos del grupo de investigaci�n (Singleton et al.,1974), se iniciaron los estudios a partir de dispersiones de MWCNTs en disoluciones del pol�mero cati�nico polietilenimina (PEI).

�         Estudio de condiciones de dispersi�n y modificaci�n de superficie de electrodo.

Los primeros estudios se realizaron para obtener una dispersi�n de MWCNTs adecuada para la modificaci�n de las superficies de GCE. Para ello se parte de unas condiciones de preparaci�n de dispersiones basadas en estudios previos realizadas por el grupo de investigaci�n de S�nchez et al., (2013).

Todas las dispersiones preparadas se caracterizaron mediante medidas espectrofotom�tricas, voltamperom�tricas, as� como obteniendo im�genes de superficie de los electrodos GCE y GCE modificado, empleando un microscopio digital. Se buscaron dispersiones estables en el tiempo, recubrimientos de electrodos completos y homog�neos con mejoras en las respuestas electroqu�micas de polifenoles (�cido g�lico) respecto al electrodo base (GCE). Se tom� el �cido g�lico como polifenol de referencia ya que el contenido de polifenoles se expresa generalmente referido a este polifenol S�nchez et al., (2012). Por otro lado, se evaluaron tambi�n la influencia de la concentraci�n de MWCNTs y PEI, as� como etapas en el procedimiento de dispersi�n tales como: centrifugaci�n, re-dispersi�n y energ�a de ultrasonido.

En primera instancia, se prepararon dispersiones de MWCNTs con diferente concentraci�n (0.25, 0.50, 0.75 y 1.0 mg�mL^-1) en PEI (0.25% m/m, en etanol-agua 50:50). Para ello se pesaron la cantidad correspondiente de MWCNTs y se a�adieron 4.00 mL de PEI. A continuaci�n, se sometieron a tratamiento de ultrasonido aplicando una energ�a de 2000 J. Se obtuvieron dispersiones incompletas, observ�ndose aglomeraciones de nanotubos que sedimentaron con el transcurso de tiempo en todos los casos siendo este efecto m�s acusado a concentraciones por encima de 0.50 mg�mL^-1.

A continuaci�n, se registraron los correspondientes espectros UV-vis de las dispersiones diluidas. Todos ellos mostraron un m�ximo de absorbancia a 273 nm, este perfil es similar a los expresados por Wang et. al., (2008). En la figura 1, se muestra una representaci�n gr�fica de la absorbancia en las dispersiones a la longitud de onda de su m�ximo de absorbancia frente a la concentraci�n de nanotubos de carbono.

 

Figura 1. Absorbancia vs. Concentraci�n dispersi�n de MWCNTs en PEI a 273 nm.

Se observ� linealidad de la absorbancia frente a la concentraci�n de MWCNTs hasta una concentraci�n de 0.50 mg�mL^-1. Estos resultados tienen cierta correspondencia con el aspecto f�sico de las dispersiones, descrito anteriormente y podr�an estar relacionados con la efectividad en la dispersi�n del nanomaterial durante la preparaci�n de estas. Al aumentar la cantidad del nanomaterial inicial, hay mayor dificultad para su dispersi�n completa, resultando una absorbancia menor a la esperada.

A continuaci�n, se modificaron los GCE, con las dispersiones de MWCNTs preparadas. Para ello se a�adieron 15 �L de las mismas sobre la superficie del electrodo y se dej� secar toda la noche a temperatura ambiente. En la figura 2, se muestran las im�genes de la superficie de los electrodos modificados [GCE(PEI/MWCNTs)] con una magnificaci�n de 225 aumentos.

 

 

Figura 2. Im�genes de superficie GCE (PEI/MWCNTs) a 225 aumentos. A: 0.25 mg�mL^-1; B: 0.50 mg�mL^-1; C: 0.75 mg�mL^-1 y D: 1.00 mg�mL^-1.

Se puede observar que no existi� homogeneidad en el recubrimiento total de la superficie del electrodo GCE por parte de los nanotubos de carbono (MWCNTs) y su tendencia es ir hacia los bordes externos donde se encuentra el material pl�stico (Tefl�n) que forma parte de este electrodo. Esto parece ser debido a la hidrofobicidad de MWCNTs y la presencia de aglomerados.

Por �ltimo, se eval�o la respuesta electroqu�mica de los electrodos GCE y GCE(PEI/MWCNTs). Para ello, se realizaron medidas por voltamperometr�a c�clica (CV) en disoluciones de �cido g�lico 1.0 x10^-4 M, en disoluci�n tamp�n (ac�tico/acetato 0.10 M), la cual contiene NaCl 0.10 M, pH 4.5 y una velocidad de barrido de 0.050 V�s^-1. En la figura 3, se muestra los voltamperogramas c�clicos obtenidos y en la tabla 1, se muestran los valores medios de los potenciales de pico de oxidaci�n (mV) y sus intensidades de corriente (�A), as� como su desviaci�n est�ndar relativa (RSD) como resultado de las medidas realizadas con 3 superficies de electrodo diferente.

Figura 3. Voltamperom�tricas c�clicos de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M obtenidos con diferentes electrodos de trabajo: GCE (negro) y GCE modificado con MWCNTs a diferente concentraci�n: 0.25 mg�mL^-1 (rojo), 0.50 mg�mL^-1 (verde), 0.75 mg�mL^-1 (azul) y 0.25 mg�mL^-1 (cyan).

 

Tabla 1. Resultados voltamperom�tricos c�clicos de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M obtenidos para GCE y GCE (PEI/MWCNTs) a concentraciones de: 0.25, 0.50, 0.75 y 1.00 mg�mL^-1. Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar.

^** RSD calculados para valores de intensidad.

 

Como se puede observar en los resultados, la presencia de MWCNTs en la superficie del electrodo aumenta considerablemente la se�al de intensidad del �cido g�lico con respecto al GCE sin modificar. Adem�s, se observ� una disminuci�n en el potencial necesario para el comienzo de la oxidaci�n del �cido g�lico en presencia de MWCNTs. Se observ� tambi�n un incremento en la se�al capacitativa a concentraciones superiores de nanotubos de carbono (0.75 y 1.00 mg�mL^-1).

Por otra parte, se observ� un aumento en la variabilidad en las se�ales de intensidad de corriente para concentraciones de MWCNTs (0.75 y 1.0 mg�mL^-1), esto puede estar relacionado al aumento en la dificultad para dispersar totalmente el nanomaterial al aumentar su concentraci�n, en las condiciones empleadas, de acuerdo a lo que se ha observado en los estudios espectrofotom�tricos (Fig. 1).

Con el fin de mejorar la dispersi�n del nanomaterial y as� recubrimientos y superficies m�s homog�neos se procedi� a centrifugar (2500 rpm, 20 min) la dispersi�n de MWCNTs a una concentraci�n de 0.25 mg�mL^-1, eliminando el sobrenadante polim�rico (PEI) y agregando agua ultrapura (4.0 mL) efectuando de esta manera la redispersi�n de MWCNTs en agua, con un tratamiento de ultrasonido aplicando una energ�a de 2000 J. Como resultado de este procedimiento se obtuvieron dispersiones completas de MWCNTs con aspecto muy parecido a una tinta, en el cual no se observaron aglomeraciones por parte de los nanotubos de carbono, y adem�s fueron estables en el tiempo.

A continuaci�n, se depositaron diferentes vol�menes (15 �L; 10 �L y 5 �L) de la dispersi�n de MWCNTs obtenida sobre la superficie [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)]. En la figura 4, se muestra las im�genes de superficies de los electrodos modificados [GCE (PEI/MWCNTs)] y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

 

Figura 4. Im�genes de superficies a 225 aumentos de electrodos GCE modificados con 15�L de (PEI/MWCNTs); B: 15�L de (PEI-Agua/MWCNTs); C: 10�L de (PEI-Agua/MWCNTs); y D: 5�L de (PEI-Agua/MWCNTs) [MWCNTs]= 0.25 mg�mL^-1

Se observaron que las superficies modificadas con la dispersi�n (PEI-Agua/MWCNTs), da lugar a recubrimientos m�s completos y homog�neos en el �rea activa del electrodo que la observada con la dispersi�n (PEI/MWCNTs). Es por ello que �nicamente fue necesario depositar 5 �L de dispersi�n de MWCNTs para obtener una superficie aparente cubierta. Esto podr�a estar relacionado con la mejora de la dispersi�n del nanomaterial y una posible disminuci�n de la hidrofobicidad de la dispersi�n.

De igual manera, se analiz� la respuesta voltamperom�trica de cada uno de los electrodos [GCE(PEI/MWCNTs)] y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)] hacia �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1, siguiendo la metodolog�a descrita anteriormente. La figura 5, muestra los voltamperogramas c�clicos obtenidos.

 

Figura 5. Se�ales voltamperom�tricas c�clicas de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.05 V�s^-1 obtenidos con electrodos de GCE modificados con: L�nea negra:15�L de [GCE (PEI-Agua/MWCNTs)]; L�nea roja: 15�L de [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)]; L�nea verde: 10�L de [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)]; y L�nea azul 5�L de [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)]. [MWCNTs]= 0.25 mg�mL^-1

Los resultados mostraron que la intensidad de corriente de pico (I) y corriente capacitativa (C) obtenidos con los electrodos [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)] es menor que [GCE (PEI/MWCNTs)], mientras que la relaci�n (I/C), correspondiente a Intensidad de pico (�A)/corriente capacitativa (�A) es mayor al utilizar [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)]. Es por esta raz�n que se procedi� a rehacer el estudio de la concentraci�n de MWCNTs en la dispersi�n incluyendo la etapa de redispersi�n en agua.

En primera instancia, se prepararon dispersiones de MWCNTs con diferente concentraci�n: 0.25; 0.50; 0.75 y 1.00 mg�mL^-1 en PEI (0.25% m/m, en etanol-agua 50:50). Para ello, se pes� la cantidad correspondiente de MWCNTs y se a�adieron 4.0 mL de PEI. Inmediatamente, se sometieron estas dispersiones a un tratamiento de ultrasonido de 2000 J. Posteriormente, se centrifug� a 2500 rpm por 20 min, eliminando el sobrenadante polim�rico (PEI) y agregando agua ultrapura (4.0 mL), redispersando los MWCNTs al aplicar un tratamiento de ultrasonido de 2000 J de energ�a.

Al incluir esta etapa de redispersi�n se consiguieron dispersiones m�s completas (PEI-Agua/MWCNTs), donde la fluidez y distribuci�n de los MWCNTs es alta, adem�s no se observaron aglomeraciones de nanotubos de carbono en la matriz de estas nuevas dispersiones obtenidas. Por otro lado, se registraron los correspondientes espectros UV-vis de las dispersiones preparadas (PEI-Agua/MWCNTs). En todos los espectros se observ� un m�ximo de absorbancia a 273 nm, al igual que en las dispersiones (PEI/MWCNTs). En la figura 6, se representa la absorbancia obtenida a 273 nm de dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs) frente a la concentraci�n de MWCNTs correspondiente.

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Figura 6. Absorbancia frente a concentraci�n de MWCNTs en dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs) obtenidas a 273 nm.

Los resultados mostraron una tendencia lineal de la absorbancia frente a la concentraci�n de MWCNTs para todo el intervalo de estudio. Este resultado podr�a estar asociado a la mejora en la dispersi�n del material nanoestructurado. Continuando con los estudios, se modificaron electrodos de GCE con dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs) previamente preparadas. Se depositaron 5 �L de estas dispersiones sobre la superficie del GCE, dejando evaporar el l�quido dispersante (agua) durante 12 horas a temperatura ambiente. Las im�genes de superficie con una magnificaci�n a 225 aumentos obtenidas de los electrodos GCE y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)] se representaron en la figura 7.

Figura 7. Im�genes a 225 aumentos de GCE modificadas con 5�L de dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs) conteniendo: 0.25 mg�mL^-1 (A), 0.50 mg�mL^-1 (B), 0.75 mg�mL^-1 (C) y 1.0 mg�mL^-1 (D).

Se puede observar que el �rea activa del electrodo queda recubierta en gran medida y de forma m�s homog�nea. En este caso no se aprecia mayor recubrimiento sin tendencia a irse a los bordes externos tal como ocurr�a en las dispersiones (PEI/MWCNTs). En la figura 8, se muestra los voltamperogramas c�clicos de los electrodos modificados con estas dispersiones para �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1, siguiendo la metodolog�a descrita en los apartados anteriores. De igual forma en la tabla 2, se mostraron los valores medios de intensidad de corriente de pico (�A), corriente capacitativa (�A), as� como la relaci�n intensidad de pico/corriente capacitativa (I/C), obtenida en la repetici�n del an�lisis con 3 superficies diferentes de electrodo.

 

Figura 8. Se�ales voltamperom�tricas c�clicas de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1 en GCE (Negro) y GCE modificada con 5�L de dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs) conteniendo: 0.25 (Rojo), 0.50 (Verde), 0.75 (Azul) y 1.0 mg�mL^-1 (Cyan) de MWCNTs.

 

Tabla 2. Resultados voltamperom�tricos c�clicos de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1 en GCE y GCE (PEI-Agua/MWCNTs) a concentraciones: 0.25, 0.50, 0.75 y 1.00 mg�mL^-1.

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar.

Se puede observar en estos resultados, que al incrementar la concentraci�n del nanomaterial presente en la modificaci�n del GCE (PEI-Agua/MWCNTs) aumenta la se�al de intensidad de corriente del �cido g�lico 1.0 x10^-4 M a 0.05 V�s^-1 y a su vez su corriente capacitativa. Por otro lado, a una concentraci�n de 0.50 mg�mL^-1de MWCNTs se observ� que la relaci�n (I/C) correspondiente a la intensidad de corriente de pico/corriente capacitativa fue mayor que en el resto de las concentraciones, obteni�ndose una buena reproducibilidad [RSD (0.50 mg�mL^-1) <3.4%, n=3 en cuanto a intensidad de se�al de oxidaci�n de �cido g�lico.

Con el prop�sito de optimizar estas dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs), se estudi� la energ�a de ultrasonido en el proceso de dispersi�n de los MWCNTs en PEI. Para ello se aplicaron energ�as de ultrasonido de: 1000; 2000 y 3000 J. Continuando con el proceso, se centrifug� eliminando el sobrenadante polim�rico (PEI) y se agregaron 4.0 mL de agua ultrapura generando su redispersi�n, donde finalmente se aplic� una energ�a de ultrasonido de 2000 J. La concentraci�n de MWCNTs empleada en este estudio fue de 0.50 mg�mL^-1.

En la figura 9, se observaron los voltamperogramas c�clicos de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M obtenidos para GCE modificados con estas nuevas dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs). Adem�s, en la tabla 3, se muestran los valores medios de potencial de oxidaci�n (mV), intensidad de corriente de pico (�A), corriente capacitativa (�A), as� como la relaci�n intensidad de pico/Corriente capacitativa, como resultados del an�lisis con 3 superficies diferentes de electrodo.

Figura 9. Se�ales voltamperom�tricas c�clicas de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1, a diferentes energ�as de ultrasonido en la etapa de elaboraci�n de dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs). L�nea negra: 1000 J en GCE (PEI-Agua/MWCNTs); L�nea roja: 2000 J en GCE (PEI-Agua/MWCNTs); y L�nea verde: 3000 J en GCE (PEI-Agua/MWCNTs).

 

Tabla 3. Resultados de voltamperometr�a c�clica obtenidos a diferentes energ�as de ultrasonido en dispersi�n GCE (PEI-Agua/MWCNTs).

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar.

 

A la vista de estos resultados, parece que 1000 J no permiten una interacci�n PEI:MWCNTs suficiente para posteriormente una redispersi�n efectiva del nanomaterial, mientras que 3000 J hacen que una mayor cantidad de MWCNTs se dispersen inicialmente en el sobrenadante y, despu�s de centrifugar, menos cantidad de nanomaterial es redispersado. Como consecuencia se evalu� la influencia de la concentraci�n (0.25, 0.12, 0.06, 0.025 y 0.012 % m/v, en etanol-agua 50:50) del pol�mero dispersante (PEI), en el tratamiento inicial donde aplic� 2000 J de energ�a de ultrasonido. Se registraron los espectros de absorci�n de estas dispersiones iniciales (PEI/MWCNTs) y en la tabla 4, se muestran las absorbancias obtenidas en su m�ximo a 273 nm.

 

Tabla 4. Resultados espectrofotom�tricos obtenidos a 273 nm en dispersiones GCE (PEI/MWCNTs) a diferentes concentraciones de dispersante polim�rico (PEI).

 

Teniendo en cuenta que los valores de absorbancia obtenidos fueron muy similares entre s�, no se observ� una clara influencia de la concentraci�n de PEI en la eficacia de la dispersi�n. Con el fin de comprobar si se ve�an diferencias en las redispersiones en agua se procedi� a volver a redispersar las dispersiones preparadas con 0.06 y 0.25% de PEI siguiendo el procedimiento empleando hasta el momento. Posteriormente se depositaron 5 �L de dichas dispersiones sobre superficies de electrodos de GCE para proceder a medir la se�al voltamperom�trica del �cido g�lico 1.0 x10^-4 M a 0.050 V�s^-1.

En la tabla 5, se presentaron los valores de absorbancia obtenidos a 273 nm de dichas dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs), adem�s de los valores medios de las se�ales de potencial de pico (mV), intensidad de corriente de pico (�A), corriente capacitativa (�A) y relaci�n (I/C) de intensidad de corriente de pico/corriente capacitativa medidos en �cido g�lico 1.00 x10^-4 M, producto de las medidas de se�ales obtenidas con 3 electrodos diferentes.

 

Tabla 5. Resultados espectrofotom�tricos a 273 nm de las dispersiones y valores voltamperom�tricos c�clicos de �cido g�lico 1.00 x10^-4 M, obtenidos en [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar.

 

Al igual que en el estudio anterior con valores de absorbancia obtenidos fueron muy similares. En cuanto a los resultados voltamperom�tricos se obtuvieron una mayor variabilidad en las se�ales, as� como una mayor corriente capacitativa en el caso de las dispersiones preparadas con menor concentraci�n del pol�mero, por lo que se procedi� a continuar con los estudios utilizando una concentraci�n de PEI de 0.25 % (m/m).

Finalmente, para conseguir perfeccionar la metodolog�a de desarrollo de un sensor electroqu�mico, se estudi� la energ�a de ultrasonido aplicada en el proceso de re-dispersi�n en agua. Las energ�as de ultrasonido estudiadas fueron: 2000, 3000 y 4000 J. Para ello se elaboraron dispersiones de MWCNTs a 0.50 mg�mL^-1 siguiendo la metodolog�a descrita en estudios anteriores. Finalmente, se midi� la absorbancia de las dispersiones preparadas y a continuaci�n, se depositaron 5 �L sobre GCE para posteriormente medir la se�al de �cido g�lico al igual que en estudios previos.

En la tabla 6, se muestran los valores de los espectros de absorbancia medidos a 273 nm en dispersiones (PEI-Agua/MWCNTs), adem�s de los valores medios de las se�ales de potencial de oxidaci�n (mV), intensidad de corriente de pico (�A), corriente capacitativa (�A) y relaci�n (I/C) de intensidad de corriente de pico/corriente capacitativa medidos en �cido g�lico 1.00 x10^-4 M, producto de las medidas de 3 electrodos diferentes de [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

 

Tabla 6. Resultados espectrofotom�tricos y voltamperom�tricos a diferentes energ�as de ultrasonido: 2000; 3000 y 4000 J en [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar.

 

En base a los resultados obtenidos, se lleg� a la conclusi�n que no existieron diferencias significativas entre los resultados obtenidos aplicando diferente energ�a de dispersi�n, por lo que se seleccion� 2000 J como la energ�a de re-dispersi�n �ptima. En la tabla 7, se muestra un resumen de las condiciones seleccionadas para la preparaci�n de electrodos de MWCNTs para su posterior estudio en el an�lisis de polifenoles.

 

Tabla 7. Condiciones �ptimas para la preparaci�n de electrodos modificados con dispersiones de MWCNTs.

 

 

Estudios de la respuesta voltamperom�trica de polifenoles en el electrodo desarrollado.

Una vez desarrollado el electrodo se procedi� a estudiar su respuesta electroqu�mica hacia otros polifenoles (�cido cafe�co, fer�lico y p-cum�rico, as� como la catequina). que se encuentran presentes en el vino. Se prepararon los electrodos de acuerdo con el procedimiento optimizado. A continuaci�n, se registraron los voltamperogramas de barrido c�clico de cada uno de los polifenoles en concentraci�n 1.00 x10^-4 M a una velocidad de barrido de 0.050 V�s^-1 en el GCE y en el electrodo desarrollado [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

En la figura 10, se presentaron las respuestas obtenidas para diferentes polifenoles, en las dos superficies de electrodos. Adem�s, en la tabla 8, se mostraron los valores medios de los potenciales e intensidades de pico correspondientes a la primera se�al de oxidaci�n de todos los analitos, con la desviaci�n est�ndar obtenida con tres superficies de electrodo diferente por triplicado, as� como la intensidad de corriente capacitativa y la relaci�n I/C tanto para el electrodo de GCE modificado con MWCNTs y GCE sin modificar.

Figura 10. Se�ales voltamperom�tricas c�clicas de diferentes polifenoles: �cido g�lico, �cido p-cum�rico, �cido cafe�co y �cido fer�lico, as� como la catequina a concentraci�n 1.00 x10^-4 M y 0.050 V�s^-1. GCE (Negro) y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)] (Rojo).

 

Tabla 8. Resultados de voltamperogramas de barrido c�clicos en polifenoles a 1.0 x10^-4 M y 0.050 V�s^-1 en GCE y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar

 

Los resultados mostraron que cuando se emplean electrodos modificados con MWCNTs se observa mayores intensidades tanto en los picos an�dicos como cat�dicos, en todos los polifenoles estudiados, en comparaci�n con los obtenidos con el GCE sin modificar. Adem�s, en el caso de los �cidos: g�lico (DE=105 mV), p-cum�rico (DE=0.05 mV), cafeico (DE=0.006 mV), y fer�lico (DE=163 mV), as� como la catequina (DE=131 mV), existi� una disminuci�n en el potencial de pico correspondiente a la primera se�al de oxidaci�n cuando se utiliza el electrodo [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)], esto podr�a estar relacionado a la presencia de MWCNTs en la superficie de GCE que da lugar a un desplazamiento hacia potenciales de oxidaci�n m�s favorables.

Finalmente, en todos los casos existi� un aumento considerable de las intensidades de pico an�dicas cuando se emplea GCE modificado con MWCNTs, produci�ndose tambi�n un incremento en la corriente capacitativa. A pesar de ello, los valores de la relaci�n I/C son superiores en todos los casos a los obtenidos con GCE sin modificar. El aumento general de las intensidades observadas al utilizar [GCE(PEI-Agua/MWCNTS)] podr�a explicarse como una consecuencia del aumento del �rea superficial del GCE una vez formada la capa de material nanoestructurado.

Teniendo en cuenta las respuestas electroqu�micas obtenidas, el electrodo [GCE(PEI-Agua/MWCNTS)] podr�a utilizarse como electrodo de trabajo en un sistema de inyecci�n en flujo (FIA) con detecci�n amperom�trica con el fin de obtener �ndices electroqu�micos, definidos por las respuestas de los analitos a diferentes potenciales de detecci�n, lo que permitir�a distinguir diferentes grupos polifen�licos de f�cil y dif�cil oxidaci�n, tales como �cidos: g�lico y cafeico, as� como la catequina los cuales comienzan a oxidarse a potenciales en torno a 250 mV, mientras que los �cidos fer�lico y cum�rico, no comienzan a oxidarse hasta potenciales por encima de 450 mV, por lo que se conseguir�a realizar una clasificaci�n de vinos en base al contenido total de polifenoles

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 9. Par�metros anal�ticos de calibraci�n para diferentes compuestos polifen�licos, empleando dos electrodos de trabajo: GCE y [GCE(PEI-Agua/MWCNTs)].

Polifenoles	Potencial E [V]	GCE					GCE(PEI-Agua/MWCNTs)
		Ordenada [�A]	Pendiente [�A� �mol-1 �L]	r	LD [�M]	IL [�M]	Ordenada [�A]	Pendiente [�A� �mol-1 �L]	r	LD [�M]	IL [�M]
Ac. G�lico	0.400	0.02�0.03	0.01493�0.00006	0.998	0.33	1.09-75	0.04�0.05	0.0488�0.001	0.990	0.49	1.63-75
	0.600	-0.01�0.02	0.03197�0.00004	0.990	0.16	0.52-100	0.02�0.05	0.0505�0.001	0.990	0.39	1.29-75
	0.800	0.0000023�0.049	0.05066�0.00009	0.990	0.10	0.34-100	-0.022�0.07	0.0714�0.002	0.990	0.21	0.70-75
Ac. Cafe�co	0.400	0.023�0.02	0.01093�0.00004	0.997	0.65	2.17-75	0.036�0.05	0.049�0.001	0.990	0.24	0.81-100
	0.600	0.0083�0.01	0.02266�0.00003	0.990	0.27	0.90-75	-0.018�0.04	0.02856�0.00007	0.998	0.34	1.12-100
	0.800	-0.046�0.03	0.02602�0.00005	0.990	0.23	0.77-100	-0.017�0.03	0.02799�0.00005	0.990	0.63	2.10-100
Catequina	0.400	0.004�0.007	0.005�0.00005	0.995	0.26	0.88-25	0.007�0.009	0.01805�0.00002	0.990	0.74	2.46-100
	0.600	0.021�0.01	0.01642�0.00002	0.990	0.06	0.19-100	0.013�0.02	0.01919�0.00003	0.990	0.83	2.76-100
	0.800	0.004�0.01	0.0049�0.00005	0.995	0.41	1.36-25	0.098�0.06	0.037�0.001	0.997	0.55	1.82-75
Ac. Fer�lico	0.600	0.008�0.01	0.01851�0,00009	0.998	0.11	0.35-25	0.041�0.05	0.031�0.002	0.997	0.46	1.55-50
	0.800	0.013�0.02	0.0184�0.001	0.996	0.11	0.36-25	0.024�0.02	0.03163�0.00009	0.990	0.43	1.44-50
Ac. Cum�rico	0.800	0.042�0.08	0.0201�0.005	0.972	0.10	0.33-25	0.0719�0.06	0.039�0.002	0.997	0.30	1.00-50

Los resultados son la media (n=3) � desviaci�n est�ndar

 

En base a lo mostrado, es importante mencionar que existe un aumento progresivo de la se�al de picos al aumentar la concentraci�n del polifenol, en el electrodo GCE modificado con MWCNTs, cosa que r�pidamente se deja de observar en el GCE a potenciales mayores de 0.600 V, especialmente al medir �cido fer�lico y p-cum�rico. Por otra parte, la respuesta lineal en todos los casos es m�s extensa al emplear el GCE modificado con los MWCNTs.

As� mismo, estos resultados muestran que los valores de ordenada en el origen obtenidos de la ecuaci�n de la recta, son cercanos a cero, para ambos electrodos, mientras que las pendientes son relativamente mayores aumentando la sensibilidad del m�todo al emplear GCE modificado con MWCNTs en comparaci�n al electrodo GCE sin modificar. Por �ltimo, los l�mites de detecci�n (LD) son similares porque hay un aumento en la corriente capacitativa de los MWCNTs que compensa el aumento en la sensibilidad.

1.  CONCLUSIONES

2.  Se optimiz� el procedimiento de elaboraci�n de dispersiones de nanotubos de carbono multicapa, para ello las condiciones id�neas fueron: 0.50 mg�mL-1 de concentraci�n del nanomaterial, 0.25% (m/m) de PEI, 2000 J de energ�a de dispersi�n en PEI, centrifugaci�n (2500 rpm; 20 min) y redispersi�n en agua aplicando energ�a de 2000 J.

3.  Se obtuvieron electrodos modificados con dispersiones de MWCNTs, obteni�ndose superficies m�s homog�neas que proporcionan mejores resultados voltamperom�tricos para los �cidos: g�lico, cafe�co, fer�lico y p-cum�rico, as� como la catequina.

4.  El m�todo electroqu�mico, proporciona mayor estabilidad, reproducibilidad, sensibilidad, selectividad de polifenoles y rapidez de an�lisis, generando una alternativa a los estudios espectrofotom�tricos.

 

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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