Modificación de electrodos convencionales en base a una lámina de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) tipo Bucky-Paper (BP) y nitrocompuesto orientado a la detección de NADH

Abstract

La detección de analitos específicos es crucial en diversos campos, como la medicina, la industria alimentaria y el medio ambiente, entre otros. Técnicas analíticas como la espectroscopía, la cromatografía y la espectrometría de masas son comúnmente utilizadas debido a su alta precisión y sensibilidad para detectar compuestos en concentraciones muy bajas. Sin embargo, los sensores electroquímicos, que han ganado popularidad por su versatilidad y bajo costo, ofrecen una ventaja adicional: permiten desarrollar sistemas más accesibles y sencillos para detectar analitos específicos, a menudo sin la necesidad de un analista certificado que emplee estos sistemas, a diferencia de las otras técnicas mencionadas. A pesar de estas ventajas, una de las limitaciones de los sensores electroquímicos es la interferencia de otros compuestos electroquímicos presentes en la matriz de estudio. Para evitar estas interferencias y asegurar la especificidad en la detección, es fundamental emplear un mediador que facilite la identificación del analito objetivo, minimizando así el impacto de los interferentes en los resultados. Estos sensores pueden operar de manera directa o indirecta, dependiendo del tipo de sensor, y se emplean, por ejemplo, en la detección de glucosa, alcohol y cortisol. Además, en tiempos recientes, se ha intensificado la investigación en sensores para la rápida identificación de virus patógenos, como los de la influenza, Zika, VIH, hepatitis B y COVID-19. En esta tesis, se propone el uso de nitrocompuestos aromáticos como precursores de mediadores electroquímicos. Estos compuestos tienen la capacidad de electrocatalizar la señal de oxidación de NADH, una coenzima fundamental en varios procesos bioquímicos del organismo. A través de la detección de NADH, es posible analizar de manera indirecta compuestos que interactúan con esta coenzima, como la glucosa, el etanol y otros analitos relacionados. Esta estrategia no solo optimiza la sensibilidad y selectividad de los sensores electroquímicos, sino que también podría permitir la identificación de estos analitos en matrices con interferentes, superando las interferencias electroquímicas que, de otro modo, afectarían los resultados. Se estudiaron dos nuevos nitrocompuestos aromáticos, ((E)-3-((3)-nitrofenil)-1-(piren- 1-il)prop-2-en-1-ona) y ((E)-3-((4)-nitrofenil)-1-(piren-1-il)prop-2-en-1-ona), que se diferencian únicamente en la posición del grupo nitro. Estos compuestos se emplearon junto con una lámina de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) tipo "bucky paper" (BP), en la que se adsorben como precursores redox. Se modificaron tanto electrodos de carbono vítreo (GCE) como serigrafiados (SPE). En el caso del electrodo GCE/BP + mediador, se realizó un proceso completo de caracterización de los nitrocompuestos y cuantificación de NADH en solución acuosa, mientras que el electrodo SPE/BP + mediador se centró exclusivamente en la cuantificación de NADH también en solución acuosa. Ambos sistemas se compararon para evaluar las variaciones en los parámetros analíticos clave según el tipo de electrodo utilizado, en ambos casos se logró un método repetible para la determinación de NADH en solución acuosa, mediante el cual se desarrollaron las curvas de calibrado. Los valores de límite de detección obtenidos para los sistemas GC/EBP modificados con los mediadores 3-CHPy y 4-CHPy fueron 0.0072 y 0.0075 mM, respectivamente, mientras que los límites de cuantificación fueron 0.026 mM en ambos casos. Para los sistemas SPE/BP con los mismos mediadores, los límites de detección fueron 0.008 y 0.010 mM, y los límites de cuantificación fueron 0.27 y 0.37 mM, respectivamente. Estos resultados no muestran una diferencia estadísticamente significativa dentro de cada sistema, lo que indica que la posición en la que se encuentra el sustituyente NO₂ en la molécula no influye en la cuantificación de NADH en solución.

The detection of specific analytes is crucial in various fields, such as medicine, the food industry, and the environment, among others. Analytical techniques such as spectroscopy, chromatography, and mass spectrometry are commonly used due to their high precision and sensitivity in detecting compounds at very low concentrations. However, electrochemical sensors, which have gained popularity for their versatility and low cost, offer an additional advantage: they allow the development of more accessible and straightforward systems for detecting specific analytes, often without the need for a certified analyst to operate these systems, unlike the other techniques mentioned. Despite these advantages, one of the limitations of electrochemical sensors is the interference of other electrochemical compounds present in the sample matrix. To avoid these interferences and ensure specificity in detection, it is essential to use a mediator analyte that facilitates the identification of the target analyte, thus minimizing the impact of interferents on the results. These sensors can operate either directly or indirectly, depending on the type of sensor, and are used for the detection of analytes such as glucose, alcohol, and cortisol. Additionally, in recent times, research has intensified on sensors for the rapid identification of pathogenic viruses, such as those causing influenza, Zika, HIV, hepatitis B, and COVID-19. This thesis proposes the use of aromatic nitrocompounds as precursors for electrochemical mediators. These compounds have the ability to electrocatalyze the oxidation signal of NADH, a coenzyme crucial in several biochemical processes in the body. Through the detection of NADH, it is possible to indirectly analyze compounds that interact with this coenzyme, such as glucose, ethanol, and other related analytes. This strategy not only optimizes the sensitivity and selectivity of electrochemical sensors but could also enable the identification of these analytes in matrices with interferents, overcoming electrochemical interferences that would otherwise affect the results. Two new aromatic nitrocompounds were studied: ((E)-3-((3)-nitrophenyl)-1-(pyren-1- yl)prop-2-en-1-one) and ((E)-3-((4)-nitrophenyl)-1-(pyren-1-yl)prop-2-en-1-one), which differ only in the position of the nitro group. These compounds were used together with a sheet of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) of the "bucky paper" (BP) type, where they adsorb as redox precursors. Both glassy carbon (GC) and screen-printed (SP) electrodes were modified. In the case of the GC/BP + mediator electrode, a complete process of characterization of the nitrocompounds and NADH quantification in aqueous solution was carried out, while the SP/BP + mediator electrode focused exclusively on the quantification of NADH, also in aqueous solution. Both systems were compared to evaluate how key analytical parameters varied with the type of electrode used. In both cases, a repeatable method was achieved for the determination of NADH in aqueous solution, through which the calibration curves were developed. The detection limit values obtained for the GC/BP systems with the mediators 3-CHPy and 4-CHPy were 0.0072 and 0.0075 mM, respectively, while their quantification limits were 0.026 mM in both cases. For the SPE/BP systems with the same mediators, the detection limits were 0.008 and 0.010 mM, and the quantification limits were 0.27 and 0.37 mM, respectively. These results do not reveal a statistically significant difference within each system, indicating that substitution of the NO₂ group in the molecule does not affect on the quantification of NADH in solution.