Estudio electroquímico de nicarbazina sobre electrodos nanoestructurados de nanotubos de carbono de pared múltiple y su determinación analítica

Abstract

En la actualidad, la nicarbazina (NCZ) tiene un amplio uso como coccidiostático en la población de aves de corral, para controlar principalmente el desarrollo de parásitos en pollos de engorde, sin embargo los estudios recientes han logrado demostrar que el componente activo de la NCZ (4,4’-dinitrocarbanilida o DNC) se acumula en diferentes tejidos del ave a concentraciones considerables, convirtiéndose en el único residuo marcador de preocupación que debe ser monitoreado, para garantizar la seguridad alimentaria y el bienestar de los consumidores. En respuesta a esta problemática se han desarrollado estrategias analíticas que permiten el análisis de este residuo, siendo la LC/MS/MS la técnica más aceptada para la determinación y confirmación de residuos de NCZ en diferentes tejidos de pollo. En esta tesis se propone una estrategia electroanalítica reproducible, sencilla y ecológica, utilizando un sensor basado en la tecnología Buckypaper (BP). El BP se presenta como una película versátil, debido a su capacidad para modificar la superficie de un electrodo comercial (GCE o SPE), y dar como resultado un sensor electroquímico más sensible. El proceso de elaboración de películas de BP es bastante sencillo, económico y rápido; donde se prepara una dispersión de MWCNT con una pequeña cantidad de poliestireno en 1,3-dioxolano, la cual posteriormente es sometida a un proceso de filtración al vacío. Las películas de BP producidas fueron caracterizadas mediante SEM y espectroscopía Raman, entre otras técnicas, las cuales mostraron una elevada área de superficie activa, buena eficiencia en la transferencia de electrones y alta capacidad de adsorción frente a la DNC, lo que permitió realizar su rápida detección electroquímica. Se estudió el comportamiento electroquímico de la DNC mediante CV, donde se logró identificar la generación de diferentes especies superficiales a través de procesos de oxidación y reducción, las cuales mostraron un mecanismo controlado por protones en medio acuoso. Dentro de las especies superficiales electrogeneradas se incluyen a los pares redox cuasi-reversibles: ArNO/ArNHOH y ArN2OAr/ArN2Ar. Se ha demostrado que los grupos nitro de la DNC pueden ser electroreducidos a un derivado de hidroxilamina, generando un solo pico de reducción en medio acuoso que involucra la transferencia de 8 electrones y 8 protones. La respuesta de corriente producida por la reducción de la DNC a un derivado de hidroxilamina, se mostró como la señal analítica de mayor intensidad, cuyo valor aumentó en dos órdenes de magnitud utilizando la plataforma BP-MWCNT/PS. Asimismo, su intensidad se mostró estable y mejoró a pH 5, por lo que fue considerada esta condición para validar el método electroanalítico. Como técnica electroanalítica se utilizó la DPV acoplada al sensor electroquímico BP-MWCNT/PS-GCE. El método demostró buena linealidad y precisión, con un LOD de 0,78 mg L-1 y una sensibilidad de 3,07 μA mg-1 L cm-2. Por otra parte, se utilizó la AD i-t para validar un método utilizando un sistema de medición BIAS, acoplado al sensor electroquímico BP-MWCNT/PS-SPE. En este caso se obtuvo un LOD de 0,52 mg L-1 y una sensibilidad de 3,42 μA mg-1 L cm-2, además el método demostró ser lineal en un rango comprendido entre 1,51 y 7,56 mg L-1. A pesar de que la AD i-t representó una técnica más sensible en comparación con la DPV, al ser utilizada con el sistema de medición BIAS resultó ser menos reproducible y más laboriosa para llevar a cabo un análisis. La recuperación del método electroanalítico por DPV fue evaluada utilizando NCZ en forma farmacéutica, donde se obtuvieron recuperaciones promedio de 104,0 ± 6,0 % con una RSD de 5,8 % para el estudio intradía, y 100,2 ± 7,9 % con una RSD de 7,9 % para el estudio interdía. El método electroanalítico desarrollado por DPV fue aplicado exitosamente en la determinación y confirmación de residuos de NCZ en tejido muscular de pollo, donde se logró cuantificar hasta una cantidad de 743 ± 50 μg/kg con una RSD de 6.7 %. Los resultados obtenidos a partir del método electroanalítico por DPV fueron comparados con un método de referencia HPLC-DAD, donde no se encontraron diferencias significativas.

Currently, NCZ is widely used as a coccidiostatic agent in poultry populations, primarily to control parasite development in broiler chickens. However, recent studies have shown that the active component of NCZ (4,4'-dinitrocarbanilide or DNC) accumulates in various chicken tissues at considerable concentrations, becoming the sole marker residue of concern that must be monitored to ensure food safety and consumer welfare. In response to this issue, analytical strategies have been developed to analyze this residue, where LC/MS/MS is the most accepted technique for the determination and confirmation of NCZ residues in different chicken tissues. This thesis proposes a reproducible, simple, and environmentally friendly electroanalytical strategy using a sensor based on BP technology. BP serves as a versatile film due to its ability to modify the surface of a commercial electrode (GCE or SPE), resulting in a more sensitive electrochemical sensor. The process of elaboration BP films is straightforward, cost-effective, and fast, involving the preparation of an MWCNT dispersion with a small amount of PS in 1,3-dioxolane, which is then subjected to a vacuum filtration process. The produced BP films were characterized using SEM, Raman spectroscopy, among other techniques, showing a large active surface area, good electron transfer efficiency, and high adsorption capacity towards DNC, enabling its rapid electrochemical detection. The electrochemical behavior of DNC was studied using CV, where the generation of different surface species through oxidation and reduction processes was identified, showing a proton-controlled mechanism in aqueous medium. Among the electrogenerated surface species are the quasi-reversible redox pairs: ArNO/ArNHOH and ArN2OAr/ArN2Ar. It has been demonstrated that the nitro groups of DNC can be electroreduced to a hydroxylamine derivative, generating a single reduction peak in aqueous medium which involves the transfer of 8 electrons and 8 protons. The current response produced by the reduction of DNC to a hydroxylamine derivative was shown to be the most intense analytical signal, whose value increased by two orders of magnitude using the BP-MWCNT/PS platform. Likewise, its intensity was stable and improved at pH 5, thus it was deemed under this condition to validate the electroanalytical method. The electroanalytical technique of DPV coupled with the BP-MWCNT/PS-GCE electrochemical sensor was employed. The method showed good linearity and precision, with a LOD of 0,78 mg L-1 and a sensitivity of 3,07 μA mg-1 L cm-2. Additionally, AD i-t was used to validate a method using a BIAS measurement system, coupled with the BP-MWCNT/PS-SPE electrochemical sensor. In this case, a LOD of 0,52 mg L-1 and a sensitivity of 3,42 μA mg-1 L cm-2 were obtained, in addition, the method proved to be linear in the range of 1,51 to 7,56 mg L-1. Although AD i-t represented a more sensitive technique compared to DPV, when used with the BIAS measurement system, it proved to be less reproducible and more laborious for conducting an analysis. The recovery of the electroanalytical method by DPV was evaluated using NCZ in pharmaceutical form, where average recoveries of 104,0 ± 6,0 % with an RSD of 5,8 % for the intraday study, and 100,2 ± 7,9 % with an RSD of 7,9 % for the interday study were obtained. The electroanalytical method developed by DPV was successfully applied in the determination and confirmation of NCZ residues in chicken muscle tissue, where quantification was achieved up to an amount of 743 ± 50 mg L-1 with an RSD of 6,7 %. The results obtained from the DPV electroanalytical method were compared with an HPLC-DAD reference method, where no significant differences were found.