Desarrollo de sensores y biosensores electroquímicos para la vigilancia medioambiental [recurso electrónico] / Mary Triny Beleño Cabarcas; director, Margarita Stoytcheva; codirector, Roumen Koytchev Zlatev

Maestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería

Tesis (Doctorado)--Universidad Autónoma de Baja California, Instituto de Ingeniería, Mexicali, 2019.

La alta toxicidad aguda de los pesticidas organofosforados (OPs) impone el desarrollo
de métodos analíticos simples, rápidos, sensibles y de precio razonable para su determinación
in situ. Las técnicas basadas en biosensores electroquímicos para la determinación de los OPs
cumplen con estos requisitos. El objetivo de este trabajo fue desarrollar nuevos biosensores
amperométricos con mejores rendimientos analíticos para la determinación directa de OPs
aplicando nuevos bionanocompuestos a base de quitosano para la modificación del electrodo
de carbono vítreo (ECG). Las plataformas bionanocompuestas han sido en los últimos años
una alternativa en el desarrollo de biosensores amperométricos debido especialmente, a su
capacidad de integrar varios materiales de diferente naturaleza, y formar un nuevo material
con propiedades físicas, mecánicas y eléctricas muy distintas a los materiales originales que
lo constituyen. Los biosensores desarrollados con estos materiales presentan diferentes
ventajas analíticas respecto a los conductores puros, que les proporciona un alto valor
añadido como por ejemplo versatilidad, durabilidad, fácilidad de regeneración superficial y
de integración, funcionaliad como reservorio de material biológico, etc. La plataforma de
detección de bionanocompuestos se construyó en un solo paso mediante la electrodeposición
catódica de quitosano (CS) sobre la superficie de un electrodo GCE con nanotubos de
carbono de pared múltiple funcionalizados con grupos –COOH (MWCNTs), nanopartículas
de ZrO2 (ZrO2NPs) y la enzima organofosforada hidrolasa (OPH) atrapados en la matriz
polimérica de quitosano.
En primer lugar se optimizaron las películas bionanocompuestas de quitosano en función
del tiempo de electrodeposición y la composición de los MWCNTs y ZrO2NPs. Se utilizaron
diferentes técnicas de caracterización que permiten obtener información de las propiedades
eléctricas, electroquímicas y morfológicas del material. Se han construido biosensores de
diferentes composiciones y se han caracterizado usando técnicas de voltametría cíclica,
cronoamperometría, amperometría, espectroscopía de impedancia electroquímica,
microscopia electrónica de barrido y espectroscopía de infrarrojos por transformada de
Fourier. La utilización de estas técnicas ha permitido estudiar, el efecto que la incorporación
de los nanomateriales, en el material compuesto, tiene sobre la distribución de las partículas
conductoras que forman la película bionanocompuesta. La eficacia de estas técnicas ha

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quedado demostrada en la optimización del biosensor CS/MWCNTs-ZrO2:OPH, donde la
eficacia de la respuesta analítica ha sido superior al biosensor CS:OPH, que no ha sido
modificado con nanomateriales. Los nuevos criterios de optimización, han sido aplicados
también a biosensores con bionanocompuestos de quitosano con nanopartículas de
hidroxiapatita (HA), MWCNTs y OPH.
Los electrodos GCE modificados con los bionancompuestos CS/MWCNTs-ZrO2:OPH
y CS/MWCNTs-HA:OPH mostraron mayor estabilidad, mayor área activa, repuesta
electroquímica más sensible y mejores rendimientos analítos en la determinación directa de
paraoxón, en comparación con los electrodos modificados con CS:OPH, CS/ZrO2:OPH,
CS/MWCNTs/OPH, y CS/HA:OPH. Estas ventajas están asociadas a la composición,
estructura y acción sinérgica de los materiales seleccionados.
Los biosensores CS/MWCNTs-ZrO2:OPH/GCE y CS/MWCNTs-HA:OPH/GCE se
aplicaron para la determinación de paraoxón en muestras de riego enriquecidas, recolectada
de los canales del valle de Mexicali (Baja California, México). Las altas recuperaciones de
paraoxón mostraron resultados satisfactorios con un promedio en el rango de 99.2% y
101.2% para CS/MWCNTs-ZrO2:OPH/GCE y CS/MWCNTs-HA:OPH/GCE, lo que
confirma la alta precisión de los sensores y demuestran también una ausencia de efectos de
la matriz cuando se utiliza de agua de riego.