Determinación del contenido de plata en … · determinaciÓn del contenido de plata en...
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Adriana Torrecilla Escribano María Teresa Tena Vázquez de la Torre y Miguel Monge Oroz Facultad de Ciencias, Estudios Agroalimentarios e Informática Grado en Química 2013-2014 Título Director/es Facultad Titulación Departamento TRABAJO FIN DE GRADO Curso Académico Determinación del contenido de plata en nanomateriales de plata inorgánicos y poliméricos mediante digestión asistida por microondas y espectroscopía de absorción atómica de llama Autor/es
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Adriana Torrecilla Escribano
María Teresa Tena Vázquez de la Torre y Miguel Monge Oroz
Facultad de Ciencias, Estudios Agroalimentarios e Informática
Grado en Química
2013-2014
Título
Director/es
Facultad
Titulación
Departamento
TRABAJO FIN DE GRADO
Curso Académico
Determinación del contenido de plata en nanomaterialesde plata inorgánicos y poliméricos mediante digestión
asistida por microondas y espectroscopía de absorciónatómica de llama
Autor/es
© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2014
publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]
Determinación del contenido de plata en nanomateriales de plata inorgánicos y poliméricos mediante digestión asistida por microondas y espectroscopía de
absorción atómica de llama, trabajo fin de gradode Adriana Torrecilla Escribano, dirigido por María Teresa Tena Vázquez de la Torre y
Miguel Monge Oroz (publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia
Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 3.0 Unported. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden solicitarse a los
titulares del copyright.
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE PLATA EN NANOMATERIALES DE PLATA INORGÁNICOS Y POLIMÉRICOS MEDIANTE DIGESTIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS Y ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA DE LLAMA.
Adriana Torrecilla Escribano
RESUMEN .......................................................................................................................... 1
SUMMARY ........................................................................................................................ 3
OBJETIVOS ........................................................................................................................ 4
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 6
1. NANOMATERIALES .................................................................................................... 7
2 . NANOPARTICULAS DE PLATA ................................................................................... 7
3. CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTICULAS METÁLICAS ............................................ 9
4. DETERMINACION DE PLATA EN NANOMATERIALES .............................................. 10
5. PROCESO DE DIGESTION DE LAS MUESTRAS .......................................................... 13
6. DISEÑO DE EXPERIMENTOS .................................................................................... 14
EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 17
1. MATERIALES Y REACTIVOS ...................................................................................... 18
2. MUESTRAS .............................................................................................................. 18
3. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS.................................................................................... 21
3.1 DIGESTIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS ......................................................... 21
3.2 ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA .................................................... 22
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................. 24
1. DETERMINACIÓN DE PLATA MEDIANTE EAA CON LLAMA ..................................... 25
2. DIGESTIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS ............................................................... 26
2.1.ELECCIÓN DEL DISOLVENTE .............................................................................. 26
2.2. ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y EL TIEMPO ................... 27
3. VALIDACIÓN DEL MÉTODO ..................................................................................... 29
3.1. Estudio de recuperación .................................................................................. 29
3.2. Estudio del efecto matriz ................................................................................. 29
4. ANALISIS DE MUESTRAS .......................................................................................... 32
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 33
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 35
Resumen
1
RESUMEN
Resumen
2
RESUMEN
Las nanopartículas de plata (Ag NP) constituyen uno de los materiales inorgánicos más
importantes en la búsqueda de agentes antimicrobianos utilizados contra las bacterias
resistentes a múltiples fármacos. En los últimos años se ha publicado un creciente
número de estudios en este campo, especialmente centrado en el diseño de síntesis de
nuevas formas de nanomateriales de plata y el estudio de su actividad antimicrobiana.
Estos incluyen nanomateriales híbridos de plata inorgánicos u orgánicos en los que se
depositan o incluyen las nanopartículas en los sustratos inorgánicos como TiO2,
hidroxiapatita, SiO2, ZnO, Fe3O4, etc, o sustratos orgánicos tales como hidrogeles,
polímeros o copolímeros orgánicos, etc.
Uno de los factores clave en el diseño y aplicación de los nuevos nanomateriales es el
control sobre el contenido en plata del sustrato elegido.
En este contexto, el desarrollo de nuevos métodos para la determinación del
contenido de plata y, por lo tanto, su relación directa con el efecto bacteriostático o
bactericida ejercido por el nanomaterial, es un campo de investigación de creciente
interés.
En este trabajo, se presenta un método basado en la digestión asistida por microondas
y la espectroscopia de absorción atómica para determinar el contenido total de plata
en los nanomateriales. Hemos elegido varios tipos de nanomateriales sintetizados en
nuestro grupo para la determinación de su contenido de plata incluyendo
nanopartículas de plata recubiertos de un polímero orgánico, nanomateriales basados
en sílice o basados en aluminosilicato.
Summary
3
SUMMARY Silver nanoparticles (Ag NPs) constitute one of the most important inorganic materials
in the quest for antimicrobial agents used against multi-drug resistant bacteria. An
increasing number of studies in this field has been reported in the last years, specially
focused on the synthetic design of new forms of silver nanomaterials and the study of
their antimicrobial activity. These include hybrid inorganic or organic silver
nanomaterials in which the nanoparticles are supported or embedded in inorganic
substrates such as TiO2, hydroxyapatite, SiO2, ZnO, Fe3O4, etc. or hybrid organic
substrates such as hydrogels, organic polymers or copolymers, etc.[1]
One of the key factors in the design and application of the new nanomaterials is the
control of the silver content in the substrate of choice.
In this context, the development of new methods for the determination of silver
content and, therefore, its direct relationship with the bacteriostatic or bactericidal
effect exerted by the nanomaterial, is a field of research of increasing interest.
In this work, a method based on microwave-assisted digestion and flame atomic
absorption spectroscopy to determine the total silver content in nanomaterials is
presented. We have chosen several types of nanomaterials synthesized in our group
for the determination of their silver content including polymer coated silver
nanoparticles, silica-based or aluminosilicate-based silver nanomaterials.
Objetivos
4
OBJETIVOS
Objetivos
5
OBJETIVOS
El objetivo principal de este trabajo es obtener un método rápido y simple para la
determinación de plata en nanomateriales con matrices inorgánicas y poliméricas.
Con este fin se propone desarrollar un método basado en una previa digestión asistida
por microondas para transformar la plata elemental que constituye las nanoparticulas
a iones Ag (I) y su posterior determinación mediante espectroscopia de absorción
atómica en llama.
Para ello, se pretende cumplir los siguientes objetivos específicos:
Establecer las mejores condiciones para la digestión asistida por microondas, es
decir, optimizar las principales variables que afectan a la digestión, como
cantidad de muestra, disolvente, temperatura y tiempo de digestión mediante
el empleo de diseño de experimentos; considerando el efecto de estas
variables en la recuperación del analito.
Caracterizar el método desarrollando términos de sensibilidad, precisión y
exactitud.
Determinar el contenido de plata en diferentes muestras de nanomateriales
basados en nanoparticulas de plata sintetizadas en el laboratorio.
Introducción
6
INTRODUCCIÓN
Introducción
7
I.INTRODUCCIÓN
1. NANOMATERIALES
El prefijo“nano“se refiere a las dimensiones: un nanómetro (nm), que es la millonésima parte de un milímetro (mm). Se pueden definir los nanomateriales como todos aquellos materiales en los que al menos una de sus dimensiones es inferior a 100 nm. Su obtención se basa principalmente en dos aproximaciones; Top-Down y Bottom-up. La primera de ellas, consiste en reducir los componentes y estructuras de mayor a menor tamaño. Este tipo de aproximación es la más desarrollada hasta el momento, sin embargo su principal desventaja es el control sobre el tamaño y la forma de las nanoparticulas. Por el contrario, la segunda consiste en crear y ensamblar de menor a mayor tamaño partiendo de una estructura pequeña (molécula), para crear una estructura mayor (nanoestructura), mediante un proceso de ensamblaje. Esta aproximación permite crear y controlar la materia de forma mucho más precisa, obteniendo nanomateriales con menos defectos y una composición química más homogénea. En el contexto de los nanomateriales, las nanoparticulas basadas en metales y en óxidos metálicos poseen un indudable interés por sus propiedades y potenciales aplicaciones. Algunas de las propiedades y características más importantes de los nanomateriales basados en metales son:
Su alta relación superficie-volumen comparado con materiales de escala de tamaño superior. Esto permite una mayor interacción con cualquier tipo de sustrato empleando cantidades muy pequeñas y es de aplicación en ámbitos como la biomedicina o la nanocatálisis.
Confinamiento cuántico de movimiento electrónico en nanoparticulas semiconductoras.
Resonancia de plasmones superficiales en partículas metálicas. Supermagnetismo en nanomateriales magnéticos.
2. NANOPARTICULAS DE PLATA
La plata ha sido empleada durante miles de años como metal precioso por el ser
humano en aplicaciones tan dispares como joyería, utensilios, moneda, fotografía o
explosivos.
De todos estos usos, uno de los más importantes es su empleo como agente
desinfectante con fines higiénicos y médicos.
Introducción
8
El estudio de la plata de tamaño nanométrico es un campo de trabajo bien establecido
desde hace siglos, siendo el primer ejemplo reconocido fue la copa de bronce de
Lycurgus del siglo IV d.C, en la que de manera no intencionada se introdujeron
nanoparticulas con contenido en plata que modifican las propiedades ópticas del
vidrio.
La síntesis de estas nanoparticulas metálicas en disolución requiere el empleo de
métodos que permitan obtener un control preciso sobre el tamaño y la forma de
dichas nanoparticulas.
Normalmente los métodos sintéticos en disolución se clasifican en métodos químicos,
físicos y biológicos.(Monge,M.2009)
METODOS QUIMICOS: Son los métodos más empleados, entre ellos destaca la
reducción química con sales metálicas en disolución.
Un breve esquema se muestra en la Figura I.1:
Figura I.1: Esquema del procedimiento utilizado por los métodos químicos
Existen diversos agentes reductores como borohidruro de sodio, hidracina, DMF,
citrato de sodio, glucosa, etc.
Otros métodos químicos que han aparecido recientemente son la reducción radiolítica
y fotoquímica, las cuales permiten obtener nanoparticulas de menor tamaño y
altamente dispersas.
METODOS FISICOS: En estos métodos cabe destacar los métodos electroquímicos,
ablación laser, la termolisis, irradiación con microondas y síntesis sonoquímica.
METODOS BIOLOGICOS: La síntesis biológica ha surgido como nueva opción debido a
la necesidad de utilizar métodos que dañen menos el medio ambiente, introduce el
empleo de microorganismos así como el empleo de extractos de plantas, como
agentes reductores de los iones Ag (I).
Introducción
9
3. CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTICULAS METÁLICAS
Para la caracterización de nanoparticulas metálicas las técnicas más utilizadas son la
espectroscopia UV-visible, la microscopía de transmisión electrónica y el
fraccionamiento en flujo a través de un flujo asimétrico (Asymmetric flow field flow
fractionation AF4) acoplado a un espectrómetro de masas de plasma acoplado
inductivamente (FFFF-ICP-MS ó AF4-ICP-MS)
En primer lugar, la espectroscopia UV-visible nos permite saber si en el proceso
sintético se han formado nanoparticulas de Ag, dado que las disoluciones coloidales
de éstas presentan un máximo de absorción cerca de 400 nm, cuando las partículas
son esféricas y de tamaño pequeño.
La absorción de la luz en el rango del UV/vis por parte de las disoluciones coloidales de
nanoparticulas metálicas se debe al fenómeno denominado resonancia de plasmón
superficial. El origen de esta propiedad se basa en la oscilación colectiva de los
electrones conductores de las nanoparticulas al interaccionar con la componente
eléctrica de un campo electromagnético incidente. El máximo de la banda de
absorción y , por lo tanto, el color de la disolución coloidal se asocia al tamaño y la
forma de las nanoparticulas.
En segundo lugar la microscopía de transmisión electrónica nos proporciona
información sobre el tamaño, forma y estructura cristalina de las nanoparticulas
mediante la transmisión y la difracción de electrones. Con esta técnica podemos
obtener resoluciones de imagen de hasta 0,2 nm
En la mayoría de los casos éstas han sido las técnicas más utilizadas, sin embargo,
últimamente además de éstas se está utilizando una tercera técnica, el
fraccionamiento en flujo a través de un flujo asimétrico que es una técnica de
separación versátil en términos de rango de separación, selectividad y resolución; que
se suele acoplar a un sistema ICP-MS como detector on-line ya que proporciona una
alta sensibilidad y selectividad, un amplio rango dinámico y además cuenta con la
capacidad de análisis multielemental.
El campo externo aplicado consiste en un flujo secundario perpendicular al flujo
portador a través del canal de separación. La separación se consigue por la retención
de partículas en el canal de F4, en comparación con la velocidad promedio del flujo
portador. Finalmente los coeficientes de difusión de las partículas permiten llevar a
cabo una separación por tamaños, de acuerdo a la ley de Stokes.
Un esquema sobre el funcionamiento de esta técnica se muestra en la Figura.I.2.
Introducción
10
Figura I.2. Esquema del funcionamiento del método de fraccionamiento en flujo a
través de un flujo asimétrico
4. DETERMINACION DE PLATA EN NANOMATERIALES
Numerosas técnicas son utilizadas para la determinación de plata total en
nanomateriales:
Espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivamente ICP_MS:
Técnica mediante la cual los componentes de la muestra se ionizan por efecto de un
plasma de argón. Los iones producidos se separan en base a su relación masa/carga en
un espectrómetro de masas y posteriormente son cuantificados por un detector
multiplicador de electrones.
Espectroscopia de Emisión Atómica por plasma de acoplado inductivamente (ICP-
AES): Técnica basada en la excitación de electrones de especies atómica a alta
temperatura en plasma de argón en la cual los electrones al regresar al estado
fundamental emiten energía a una longitud de onda característica.
La transferencia de energía para los electrones que regresan al estado fundamental es única para cada elemento ya que depende de su configuración electrónica. La intensidad de energía emitida en la longitud de onda es proporcional a la
concentración de ese elemento en la muestra, por lo tanto, mediante la determinación
de la longitud de onda y la intensidad de emisión se pueden determinar los elementos
que componen la muestra.
Introducción
11
Espectroscopia de fluorescencia de rayos X(XRFS): Técnica espectroscópica que se
utiliza comúnmente con sólidos, en la que mediante el empleo de rayos X se excita la
muestra la cual genera rayos X secundarios.
Los rayos X expulsan electrones de las capas internas de los átomos y los electrones de
la capa externa toman el lugar de los electrones expulsados emitiendo fotones de alta
energía en el proceso. La longitud de onda de los fotones depende de la diferencia de
energía entre los orbitales de los electrones de las capas externas e internas. Esta
diferencia de energía es característica de cada átomo y la intensidad de la radiación
proporciona información cuantitativa.
Voltamperometría de redisolución anódica (ASV): Técnica electroquímica en la que el
analito de interés queda depositado en el electrodo mediante una reducción, tras esto
se realiza un barrido anódico lineal en el que se hace variar linealmente el potencial del
electrodo hacia valores más negativos recogiendo los valores de intensidad.
Al alcanzarse el potencial correspondiente se produce la oxidación electroquímica de
los diferentes analitos dando picos de redisolución cuya intensidad es proporcional a
su concentración.
Espectroscopia absorción atómica con atomización electrotérmica (GFAAS): Técnica
basada en la absorción de radiación por los átomos formados mediante calentamiento
de la muestra en un tubo de grafito por el paso de una corriente eléctrica. La
atomización tiene lugar a mayor temperatura, en atmósfera de argón y es más sensible
que la de llama.
Tras una breve descripción de las distintas técnicas aplicables a la determinación de
plata en nanomateriales, se da una descripción más detallada sobre la técnica utilizada
en este trabajo, la espectroscopia de absorción atómica en llama.
Espectroscopia absorción atómica en llama (FAAS): Técnica basada en la absorción de
radiación por los átomos formados en una llama a partir de una muestra líquida.
Normalmente se utiliza un mechero de premezcla o flujo laminar en el que tiene lugar
la nebulización y atomización de la muestra a través de varias etapas (nebulización,
desolvatación, volatilización, disociación e ionización). A continuación, los átomos
formados son irradiados con radiación UV-vis procedente de una lámpara de cátodo
hueco, que produce la excitación de los átomos.
La cantidad de energía absorbida viene determinada por la cantidad de analito
existente en la muestra. Esta técnica especialmente está indicada para la
determinación de elementos alcalinos, alcalinotérreos y metales pesados.
Introducción
12
Los principales componentes de un espectrofotómetro de llama son: Fuente de
radiación, nebulizador, quemador, sistema óptico, sistema de corrección de fondo,
detector, amplificador o sistema electrónico y sistema de lectura, tal y como se
muestran en la Figura I.3.
Figura I.3. Esquema de los componentes de un espectrofotómetro de absorción
atómica
Nebulizador: Convierte la disolución de la muestra en una especie de niebla o aerosol
para una atomización más eficiente.
Quemador: Sistema mediante el cual por efecto de la temperatura evapora el
disolvente para convertir la muestra en gas y así favorecer la formación de átomos.
Fuente de radiación: Emite líneas específicas correspondientes a la energía necesaria
para efectuar una transición electrónica en los átomos del elemento analizado. Se
suelen usar lámparas de cátodo hueco o de descarga sin electrodos.
Sistema óptico: separa la radiación de longitud de onda de interés, de todas las demás
radiaciones que entran a dicho sistema.
Detector o transductor: Transforma la energía luminosa en forma de fotones en
energía eléctrica.
Amplificador o sistema electrónico: Amplifica la señal eléctrica producida, para que
pueda ser procesada mediante circuitos y sistemas electrónicos.
Sistema de lectura en el cual la señal de intensidad de corriente, se convierte en una
señal de fácil interpretación la cual pueda ser relacionada con los parámetros de
interés.
Sistema de corrección de fondo: Las interferencias espectrales producidas por la
absorción molecular se corrigen mediante el uso de fuentes continuas.
Introducción
13
La absorbancia media total (AT) es la suma de la absorbancia del analito (AA) y la
absorbancia de fondo (AF).
AT = AA + AF
Como sistema de corrección se usa la lámpara de deuterio.
En la Tabla I.1. Se recogen algunos ejemplos de la aplicación de distintas técnicas en
diferentes tipos de muestras y empleando distintos métodos.
Tabla I.1. Ejemplos aplicación técnicas anteriores para la determinación de plata
TECNICA MUESTRA PRETRATAMIENTO LOD REFERENCIAS
ICP-MS Aceite de motor
Disolventes orgánicos 3,18 ng/g Chuan,L y col. 2013
ICP-AES Muestras de aguas
pre concentración 0,41 µg/L Young,G y col. 2004
XRFS Muestras poliméricas
Digestión microondas 0,0021 mg/L De Schrijver,I y col. 2007
ASV
Disoluciones de polímeros
0,92 mol/L Osipova,E.A y col.2000
FAAS
Muestras poliméricas
Digestión acida 0,0025 mg/L De Schrijver,I y col. 2007
5. PROCESO DE DIGESTION DE LAS MUESTRAS
Para la cuantificación de la muestra se requiere una digestión previa para que la plata
elemental se oxide a Ag+ en disolución.
El pre tratamiento de la muestra se realiza mediante digestión asistida por microondas
(MAD), una técnica de amplia utilización en la que influyen diversos factores tales
como: disolvente, temperatura, presión y tiempo.
Se pueden utilizar distintos disolventes para llevar a cabo la digestión, siendo los más
comunes: HClO4, en disolución acuosa se disocia formando complejos insolubles con la
plata; HCl, se disocia formando complejos insolubles con la plata; HF; H3BO3 o HNO3, el
cual es un ácido fuerte y oxidante que en caliente disuelve todos los metales comunes
a excepción del aluminio y el cromo que se pasiva.
En este trabajo se hará uso del HNO3.como disolvente
Introducción
14
A continuación en la Tabla I.2. Se muestran distintas metodologías de digestión
asistida por microondas, descritas en la bibliografía para AgNPs. En la tabla se recogen
los valores de las variables implicadas para el proceso.
Tabla I.2. Metodologías del proceso de digestión asistida por microondas para AgNPs
Disolvente t (min) P (W) Tª (ºC) P (bar) Referencia
HNO3
7
1000
200
120
Roman, M y col. 2013
HNO3+ H2O2 10 1000 150 17,2 De Schrijver, I y col. 2007.
HNO3
4 650 180 - Cindric Juranovia, I y
col. 2012. HNO3 + H2O2 50 1500 200 - Cindric Juranovia, I y
col. 2012.
En este trabajo se pretende emplear la digestión asistida por microondas para
determinar la concentración de plata total en los nanomateriales mediante
espectroscopia de absorción atómica de llama.
Para desarrollar el método se han estudiado y optimizado las variables que pueden
afectar a la digestión, como son la temperatura, el disolvente y el tiempo.
6. DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Durante el desarrollo de un método analítico aparecen un elevado número de
variables que es necesario optimizar para conseguir la mejor respuesta.
El empleo de diseños de experimentos como herramienta estadística permite evaluar
la influencia y significación de las variables a estudiar y la optimización de las variables
significativas para seleccionar los niveles que generan los resultados óptimos.
En este trabajo se ha empleado un diseño de experimentos central compuesto, y para
su elaboración se ha usado el programa Statgraphics.
Diseño central compuesto y metodología de superficies respuesta.
La metodología de superficies de respuesta en un conjunto de técnicas matemáticas y
estadísticas para modelar y analizar problemas en los cuales una respuesta de interés
es dependiente de otras variables.
El objetivo es encontrar las condiciones de trabajo que proporcionan una respuesta
óptima.
Introducción
15
La forma de la relación entre la respuesta y las variables independientes se desconoce,
por lo que se determina una aproximación apropiada. En este trabajo se supone que la
variable respuesta se ajusta a un modelo polinomial de orden dos.
La forma de la función será la siguiente:
Y = ∑ ∑
∑
Donde Y es la respuesta, los factores, β los coeficientes y ε el error asociado a la
respuesta.
El diseño central compuesto CCD para k factores consiste en un diseño factorial 2K , en
el que cada factor tiene dos niveles que denotan el extremo superior e inferior de su
dominio experimental (+1 y -1) , aumentado por 2k puntos estrella (±α,0) y nc puntos
centrales (0,0) para estimar el error experimental.
En la Figura I.3. Se muestra un esquema para un CCD de dos factores:
Figura I. 3. Esquema CCD de dos factores
Un diseño experimental es rotable cuando la varianza de respuesta predicha es función
sólo de la distancia al punto desde el centro de diseño y no es una función de
dirección. De esta manera se obtienen estimaciones igualmente precisas en todas las
direcciones.
Punto central
Puntos estrella
Diseño 2k
Introducción
16
Un diseño central compuesto se convierte en rotable mediante la elección de α.
α = (2k)1/4
Mediante la elección del número de réplicas del punto central del diseño se consigue
que este sea ortogonal, para un diseño central compuesto de dos factores se realizan
ocho réplicas del centro.
Experimental
17
EXPERIMENTAL
Experimental
18
II.EXPERIMENTAL
1. MATERIALES Y REACTIVOS
Los disolventes utilizados para el proceso de digestión asistida por microondas (HNO3 y
H2O2) fueron suministrados por Lin lab (La Rioja, España)
Como material de partida para las disoluciones patrón se empleó AgNO3 adquirido a la
empresa Panreac. Para su disolución se usó agua MilliQ y HNO3 proporcionado
igualmente por lin lab.
Para su conservación se utilizaron frascos de polipropileno opacos para evitar la
fotoreducción de los iones de plata (I).
2. MUESTRAS
La síntesis de las muestras de nanomateriales de plata se llevó a cabo por parte de
investigadores del grupo GEIMA pertenecientes al Área de Química Inorgánica de la
Universidad de la Rioja.
Para el diseño y caracterización de este método se eligieron cuatro tipos distintos de muestra, las cuales consisten en NPs metálicas soportadas tanto en matrices orgánicas (polímeros) como inorgánicas (sílice o aluminosilicatos nanotubulares funcionalizados). A continuación se describe un breve resumen del proceso de obtención de cada una de ellas.
Nanopartículas de plata estabilizadas con polivinilpirrolidona (PVP) (García Barrasa, J.
2010)
En un matraz de dos bocas de topacio, provisto de una llave de paso de Argón y un
agitador magnético, se preparan 0,29 mmol de [Ag (C6F5)]n que se disuelven en
tetrahidrofurano recién destilado junto con 0,500 gr de polivinilpirrolidona, añadiendo
tetrahidrofurano seco hasta 40 mL. Se acopla un refrigerante y un borboteador y se
empieza a calentar a 66 ºC durante 3 horas. Una vez transcurrido el tiempo de
reacción, se deja enfriar a temperatura ambiente y se evapora a sequedad,
obteniéndose un sólido negro. El porcentaje de plata se ha calculado mediante análisis
elemental (5.25%) y mediante espectroscopia de absorción atómica (5.77 %).
Experimental
19
Figura II.1: Imágenes de Microscopía de Transmisión Electrónica (MET) de las
nanoparticulas de plata estabilizadas con polivinilpirrolidona.
Nanopartículas de oro y plata estabilizadas con polivinilpirrolidona (PVP) (Crespo, J.
2010)
En un matraz de dos bocas de topacio, provisto de una llave de paso de Argón y un
agitador magnético, se añaden 0,100 gr (0,078 mmol) de [AuAg (C6F5)2(Et2O)2]2 y se
disuelven en tetrahidrofurano recién destilado junto con 0,500 gr de
polivinilpirrolidona, añadiendo tetrahidrofurano seco hasta 40 mL. Se acopla un
refrigerante y un borboteador y se empieza a calentar a 66 ºC durante 3 horas. Una
vez transcurrido el tiempo de reacción, se deja enfriar a temperatura ambiente y se
evapora a sequedad, obteniéndose un sólido de color negro.
Figura. II.2: Imágenes de Microscopía de Transmisión Electrónica (MET) de las
nanopartículas de oro-plata estabilizadas con polivinilpirrolidona
Deposición de nanopartículas de plata sobre sílice funcionalizada con grupos
aminopropilo (Villanueva, J. 2012)
En un matraz de una boca se disuelven 0,29 mmol de nanoparticulas de plata
estabilizadas con PVP en tolueno y se añaden 0,435 gr de sílice funcionalizada. Se deja
agitando durante 6 horas y una vez transcurrido el tiempo de reacción se centrifuga, se
Experimental
20
lava con acetona varias veces y el sólido formado se separa por filtración obteniéndose
un sólido marrón.
En la Figura II.3. se muestran las imágenes realizadas mediante microscopia de
transmisión electrónica de las nanoparticulas de plata.
Figura II.3: Imágenes de MET de las nanopartículas de plata
Nanoparticulas de plata soportados sobre nanotubos de aluminosilicato funcionalizados con
grupos aminopropilo (Villanueva, J. 2012)
Se colocan en un matraz 0,300 g de HA (ATPS 10%) (nanotubos de superficie silicea
funcionalizados con un 10% en peso de aminopropiltrietoxisilano) y se dispersan en 20
ml de H2O.
A continuación se añaden 25 mg (5% Ag del peso total) de AgNO3 y seguido 7 mg de
NaBH4 observando como la disolución toma un color verdoso.
La mezcla se deja a Tº ambiente y con agitación constante durante una hora.
Transcurrido dicho tiempo se centrifuga desechando el líquido sobrenadante y se lava
varias veces con H2O hasta que se observe la desaparición del color verde.
Por último el sólido se seca en estufa a 100ºC durante 24 horas.
Experimental
21
En la figura II.4. se muestra una imagen de las nanoparticulas de plata soportadas
sobre nanotubos.
Figura II.4: Imágenes de nanoparticulas de plata soportados sobre nanotubos (ATPS
10%)
3. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS
3.1 DIGESTIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS
Para la digestión se empleó un horno de microondas Mars X-press (MD7245) CEM,
(vertex technics, Barcelona, Spain)
El MARS utiliza la energía de microondas para calentar las muestras. Compuestos como el agua u otros líquidos polares absorben rápidamente las radiaciones microondas. En el MARS una muestra depositada en un vaso cerrado transparente a las microondas con un líquido polar o una disolución iónica (normalmente un ácido), está sujeta a un calentamiento rápido y a elevadas presiones, provocando la digestión o disolución de la muestra en poco tiempo.
La potencia máxima del MARS es de 1200 W y la frecuencia de las microondas es de 2450 MHz. Un microordenador controla y monitoriza las operaciones.
Figura II. 5: Horno microondas MAR (MD7245)
Experimental
22
Este instrumento está equipado con un sistema de microondas de potencia regulable
entre 0-1200 W, una cavidad recubierta de fluoropolímero , un ventilador y un tubo
que elimina los gases corrosivos y vapores inflamables del interior del microondas, un
ordenador programable y un sistema de plato giratorio continuo o discontinuo.
La temperatura dentro de los vasos que contienen la muestran se monitoriza mediante
un sensor de infrarrojos. La potencia se controla para mantener dichas muestras a una
temperatura determinada. Los sistemas de seguridad activan un sistema de bloqueo
en el caso de que la puerta del microondas este abierta que previene las emisiones de
los gases producidos.
3.2 ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA
Los muestras fueron analizadas mediante un espectrofotómetro de absorción atómica UNICAM 929AA, el cual mediante la absorción selectiva de la radiación luminosa a una longitud de onda determinada nos permite establecer curvas de calibración que proporcionan una relación directa entre la absorbancia y la concentración del elemento a analizar.
El equipo que aparece en la Figura II.6. Consta de un una fuente de radiación de
cátodo hueco que emite radiación a una longitud de onda de 328,1 nm, característica
de la plata, la cual está formada por un ánodo de wolframio y un cátodo del elemento
que se desea analizar (en este caso plata) cerrados herméticamente en un cilindro.
Además de una fuente continua (en nuestro caso lámpara de deuterio) que se usa para
corregir la absorción del fondo y evitar las interferencias espectrales producidas por
absorción molecular. Ambas lámparas deben estar perfectamente alineadas.
Como sistema de atomización se utiliza un mechero de flujo laminar, el cual emplea un
nebulizador de tubo concéntrico. La disolución introducida mediante un sistema de
aspiración es nebulizada mediante el flujo de gas oxidante (aire) mezclado con el gas
combustible (acetileno).
Este aerosol pasa a través de una serie de deflectores que eliminan las gotitas de
disolución que no sean muy finas, así, como consecuencia la mayor parte de la
muestra se recoge en el fondo de la cámara de mezcla donde los desechos se drenan
hacia un contenedor.
Como detector está provisto de un tubo fotomultiplicador que amplifica la relación
entre las señales la cual pasa a un sistema de tratamiento de datos (sistema
informático, programa SOOLAR) mediante el cual podemos determinar la cantidad de
analito presente a través de la señal de absorbancia medida.
Experimental
23
Figura II.6. Espectrofotómetro de absorción atómica UNICAM 929AA
Resultados y discusión
24
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Resultados y discusión
25
III.RESULTADOS Y DISCUSIÓN
1. DETERMINACIÓN DE PLATA MEDIANTE EAA CON LLAMA
En primer lugar se implementó un método basado en espectroscopia de absorción
atómica de llama para determinar plata en disolución acuosa.
Para caracterizar el método desarrollado se ha estudiado la linealidad, la sensibilidad,
la precisión intermedia, los límites de detección y cuantificación y la recuperación.
Para estudiar linealidad se realizó una recta de calibrado empleando 8 disoluciones
estándar de AgNO3, preparadas a partir de una disolución madre de 1000 mg/ml de
AgNO3. (Figura III.1)
El rango de linealidad estudiado está comprendido entre 0.9 – 14 ppm, la pendiente y
ordenada en el origen de la recta de calibrado con sus correspondientes desviaciones
estándar se muestran en la Tabla III.1. El coeficiente de regresión obtenido fue de
0,9993.
Tabla III.1 .Linealidad del método
Los límites de detección (LOD) y límites de cuantificación (LOQ) del método se
muestran en la tabla III.2. Estos límites se han calculado como la concentración
correspondiente a una señal de 3 y 10 veces la desviación estándar del blanco, para
LOD y LOQ respectivamente. También se han obtenido usando la desviación estándar
de la ordenada en el origen en lugar de la del blanco. LOD y LOQ están expresados en
unidades de concentración (mg de Ag/L de disolución)
RANGO 0,9 – 14 ppm
PENDIENTE ± IC 0,058 ± 0,014
ORDENADA ± IC -0,0024 ± 0,0016
COEFICIENTE DE DETERMINACIÓN (R2)
0,9993
Resultados y discusión
26
Figura III.1. Curva de regresión ajustada
Tabla III.2.Sensibilidad del método
LOD mg/L 0,12a 0,3b
LOQ mg/L 0,4a 0,9b
Valores correspondientes a una señal de 3 y 10 veces a)
la desviación
estándar del blanco y b)
la desviación estándar de la ordenada en el
origen para LOD y LOQ, respectivamente.
Los valores de repetibilidad y precisión intermedia se determinaron mediante ANOVA
de 16 réplicas (4 réplicas por 4 días) de una disolución estándar de 6 mg/L de
concentración.
El valor de repetibilidad expresada como desviación estándar relativa fué del 2,8% y el
de la precisión intermedia de 19%
2. DIGESTIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS
Para desarrollar un método de digestión de la muestra para la determinación de plata
en los nanomateriales se eligió la digestión asistida por microondas (MAD) y se realizó
un estudio de variables para determinar las condiciones experimentales óptimas.
2.1. ELECCIÓN DEL DISOLVENTE
Para seleccionar el mejor disolvente se estudió la influencia de cuatro disolventes
mediante un diseño univariante.
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15
Ab
s
[Ag]ppm
CURVA DE REGRESIÓN AJUSTADA
Resultados y discusión
27
Los disolventes estudiados fueron: 10 ml de HNO3, 8 ml de HNO3 + 2 ml de H2O2, 8 ml
de HNO3 + 2ml de H2O y 5 ml de HNO3 + 5 ml de H2O.
Se eligieron estos disolventes debido a que son los más empleados en digestión de
nanoparticulas metálicas dado su carácter oxidante, su baja peligrosidad y baja
toxicidad.
Para la realización se pesan 10 mg de muestra y se le añaden los distintos disolventes y
la mezcla estudio se somete a un proceso de digestión asistida por microondas a una
temperatura de 120ºC durante 20 min.
Finalmente tras el proceso de digestión se lleva a cabo la medida de cada disolución
mediante EAA. En la figura.III.2. se muestran los resultados obtenidos para cada
disolvente:
Figura III.2. Estudio del disolvente de digestión
Tras el estudio de la figura III.2. se puede concluir que no se aprecian diferencias
significativas en el uso de uno u otro disolvente para el tratamiento de las muestras.
Se eligió la mezcla (8 ml HNO3 + 2 ml de H2O2), debido a que el H2O2 facilita la
disolución de las nanoparticulas metálicas dado su carácter oxidante.
2.2. ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y EL TIEMPO
Una vez seleccionado el disolvente de extracción, se realizó un diseño de experimentos
central compuesto para encontrar la temperatura y el tiempo de extracción óptimo
para la digestión de las nanoparticulas de plata.
0,680
0,700
0,720
0,740
0,760
0,780
0,800
0,820
0,840
10 ml HNO3 8 ml HNO3+ 2 mlH202
8 ml HNO3+ 2 mlH20
5 ml HNO3 + 5 mlH2O
SEÑ
AL
Resultados y discusión
28
El diseño central compuesto se compone de un diseño factorial 22 con 4 puntos
estrella dispuestos a ±α del centro y 8 réplicas del punto central (se consigue la
ortogonalidad). Para conseguir la rotabilidad del diseño la distancia axial α es de 1.41.
De este modo, el diseño se compone de los 16 experimentos llevados a cabo
aleatoriamente como se detallan en la tabla .III.3.
Tabla .III.3. Tabla de experimentos del diseño central compuesto.
Tiempo (min) Temperatura ºC señal
27 135 0,1109
27 70 0,1763
11 89 0,3217
27 135 0,1732
27 135 0,1618
27 135 0,1505
43 181 0,3038
27 135 0,1627
27 135 0,1445
50 135 0,1065
27 135 0,1235
27 200 0,2451
4 135 0,2247
43 89 0,2247
11 181 0,2825
27 135 0,1385
Los experimentos se realizaron con una muestra de nanoparticula de plata estabilizada
con PVP.
El dominio experimental estudiado para la temperatura abarco desde los 70ºC hasta
los 200ºC, incluyendo los niveles, 70, 90, 135 (punto central), 180 y 200 ºC.
La influencia del tiempo de extracción se estudió entre 4 y 50 min, con los niveles 4,
11, 27(valor central), 43 y 50 min.
En la figura.III.3.se muestra el diagrama de Pareto en el cual la línea vertical
observada (limite a partir del cual el efecto es estadísticamente significativo) nos
informa que el único factor estadísticamente significativo es la temperatura, sólo
influye el efecto cuadrático.
Resultados y discusión
29
Finalmente las condiciones de digestión seleccionadas fueron: tiempo 5 min-Tº 200ºC ,
disolvente 8ml HNO3 + 2ml H2O2.
Figura III.3. Gráfica Pareto correspondiente al diseño central compuesto.
3. VALIDACIÓN DEL MÉTODO
3.1. Estudio de recuperación
Para comprobar la exactitud del método se realizó un estudio de recuperación , en el
cual se analizaron 5 réplicas de una disolución patrón, todas ellas se sometieron al
proceso de digestión asistida por microondas para su posterior detección y
cuantificación por EAA .
Los resultados se muestran en la tabla III.4. El valor de recuperación obtenido con su
intervalo de confianza, expresado en %, es de 90,5 ± 21,5, con una desviación
estándar de 10,1 % y una desviación estándar relativa de un 11,1%.
Tabla III.4. Exactitud del método
REC (%) 90,5 ± 21,5
Sr 10,1
%DER 11,1
3.2. Estudio del efecto matriz
Para comprobar la ausencia de errores por efecto matriz, se obtuvo la recta de
calibrado en presencia de la matriz de los distintos tipos de muestra y se comparó con
la obtenida en ausencia de matriz (Tabla III.1).
Las rectas obtenidas para las distintas muestras se muestran en las Figuras III.4-7:
Resultados y discusión
30
Figura.III.4: Nanopartículas de plata estabilizadas con polivinilpirrolidona (PVP)
Figura.III.5.Nanopartículas de plata sobre sílice funcionalizada
Figura .III.6. Nanopartículas de oro y plata estabilizadas con polivinilpirrolidona (PVP)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 1 2 3 4 5
Ab
s
[Ag]ppm
AgNPs -PVP
0
0,2
0,4
0,6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Ab
s
[Ag]ppm
AgNPs -silice
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Ab
s
[Ag]ppm
oro-plata NPs -PVP
Resultados y discusión
31
Figura.III.7. Nanoparticulas de plata soportadas sobre nanotubos de sílice
Al llevar a cabo el método de adicción estándar se observó que las pendientes
obtenidas difieren significativamente dando valores más grandes a las obtenidas a
partir de disoluciones patrón de Ag en ácido nítrico. El valor de la pendiente obtenida
en ácido nítrico fue de 0,058 ± 0,014, mientras que el valor obtenido por adicción
estándar osciló entre 0,112 y 0,167, dependiendo de la muestra, tal y como se recoge
en la Tabla.III.5.
En la Tabla.III.5. Se muestran los valores de LOD y LOQ recalcularon para cada tipo de
muestra como la concentración correspondiente a una señal de 3 y 10 veces la
desviación estándar de la ordenada en el origen, respectivamente.
Tabla III.5. Cuantificación mediante adicción estándar. Valores de pendientes, R2 y
límites de detección y cuantificación
m R2 LOD, mg/l LOQ
AgNPs -PVP
0,1671 ±
0,0013
0,9998
0,06
0,18
AgNPs -sílice
0,133 ± 0,006 0,9943
0,23
0,7
oro-plata NPs -PVP
0,1313 ±0,0008 0,9998
0,01
0,04
AgNPs-sílice 2
0,1122 ±
0,0013
0,9988
0,05
0,16
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Ab
s
[Ag]ppm
AgNPs-silice-nanotubos
Resultados y discusión
32
4. ANALISIS DE MUESTRAS
Las cuatro muestras se analizaron por el método propuesto. Los resultados se
enumeran en la Tabla III.6.
Tabla III.6. Resultados análisis de muestras
muestra Contenido en Ag % Valor máximo teórico %
Rendimiento
AgNPs-PVP 5,13 ± 0,07 5,3 96,8
AgNPs-silice 0,76 ± 0,02 5 15,2
Au-AgNPs-PVP 0,230 ± 0,002 5 4,6
AgNPs-silice
nanotubos
0,87 ± 0,01 5 17,9
En esta tabla, también se muestra el valor teórico que corresponde a la cantidad de Ag
utilizada en la síntesis de cada material.
Como se observa, para el material AgNPs-PVP los contenidos de plata encontrados
están de acuerdo con los valores teóricos. El procedimiento experimental empleado
consiste en la reducción completa de un compuesto organometálico de Ag (I) a Ag(0) y
posterior evaporación del disolvente por lo que si la reducción es cuantitativa se
espera un contenido en plata en el nanomaterial similar al contenido en plata del
precursor organometálico añadido.
En cambio, para materiales formados a partir de AgNPs y un sustrato de base silícea
funcionalizado con grupos aminopropilo, una disolución de nanopartículas de plata
estabilizados con PVP se pone en contacto con el sustrato sólido y se deja reaccionar
durante un tiempo para que los grupos aminopropilo se unan a las nanopartículas de
plata. La filtración del nuevo nanomaterial y su posterior lavado hace que las
nanopartículas que queden en disolución se pierdan quedando anclado al sustrato un
porcentaje inferior al de partida.
Conclusiones
33
CONCLUSIONES
Conclusiones
34
IV.CONCLUSIONES
1. Se ha desarrollado un método para la determinación del contenido de plata en
nanomateriales de matrices poliméricas e inorgánicas mediante digestión asistida por
microondas seguido por espectroscopia de absorción atómica en llama.
2. La digestión asistida por microondas es eficiente para la extracción del analito en una
sola etapa.
3. Mediante un diseño univariante se ha estudiado la influencia del de disolvente , se ha
seleccionado una mezcla ácido nítrico (8 ml) : H2O2 (2 ml) como mejor disolvente para
la digestión.
4. Se ha realizado un diseño central compuesto para optimizar las variables temperatura,
tiempo de extracción, resultando las mejores condiciones 200 ºC durante 5 min.
5. La repetibilidad del método expresado como DER fue del 2,8%.
6. El método desarrollado proporciona un valor aceptable de recuperación del 90,5 % y
límites de detección entre 0,1 y 0,23 mg /L.
7. Se ha demostrado que es necesario el uso de adicción estándar para la cuantificación
de plata en las muestras, dado que se detectó efecto matriz.
8. El método se ha aplicado para determinar el contenido total de plata en cuatro
nanomateriales diferentes.
Bibliografía
35
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