Desarrollo de un dispositivo portátil de medición colorimétrica en el espacio de color RGB a partir de un nanooptodo reversible selectivo a iones potasio (ISO) basado en ionóforo valinomicina estabilizado con pluronic F-127 con aplicaciones a suelos agrícolas

• Autor: Villanueva Villanueva, Miguel Omar
• Formato: tesis doctoral
• Fecha de Publicación: 2024
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/29037
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/29037
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Nano-optodo; Sensores químicos; Análisis colorimétrico; Técnicas de cuantificación; Suelos agrícolas; Nanotecnología; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.10.00

El potasio es un metal alcalino importante en varios campos de la investigación en áreas como la medioambiental, agrícola y clínica. El potasio es considerado un macroelemento involucrado en el correcto funcionamiento del cuerpo humano. Además, el potasio es un nutriente en los suelos agrícolas relacionado con la calidad de los suelos. La deficiencia de potasio en las plantas es causa de aproximadamente el 70 % de enfermedades en los cultivos. Actualmente, las técnicas de cuantificación de potasio en diferentes matrices se realizan por espectroscopia de plasma acoplado inductivamente (ICP) y absorción atómica (AA). Estas técnicas analíticas no son adecuadas para mediciones portátiles, debido a su complejidad, también se requiere pretratamiento ácido de las muestras, equipamiento y mantenimiento costoso. Este proyecto persigue el desarrollo de un nano-optodo selectivo y reversible a iones potasio (ISO) con posibilidad de usarlo en mediciones portátiles o in-situ. Este fue sintetizado por la miniaturización del bulk-optodo como núcleo de la micela y está recubierto con el surfactante y estabilizador de superficie Pluronic F-127, conformado por tres componentes activos como el ionóforo valinomicina, intercambiador de iones tetrakis (4- clorofenil) borato de potasio y el cromoionóforo ETH 5294 determinado como la fase orgánica del optodo. El nano-optodo es selectivo a iones potasio debido a la interacción estéricamente selectiva entre el ionóforo valinomicina y el ion potasio. La elevada selectividad es explicada por la estructura cíclica de la valinomicina con un espacio libre interno coincide con el diámetro iónico del potasio, la adición del cromoionóforo ETH 5294 con propiedades ópticas a diferentes valores de pH es capaz de producir una señal colorimétrica fácilmente medible. El mecanismo de reconocimiento del optodo se basa en la migración de iones potasio desde un medio acuoso a la fase sensora orgánica del optodo, produciendo la desprotonación del cromoionóforo ETH 5294 y la consecuente liberación de un ion hidrogeno, esto produce un cambio de color del optodo directamente proporcional a la concentración de potasio en solución. La síntesis del nano-optodo se realizó a partir de la miniaturización de su respectivo bulk-optodo, donde el proceso de miniaturización se hizo bajo condiciones de sonicación para generar nano micelas capaces de contener en su interior los componentes activos del optodo. Las ventajas de los nano-optodos sobre los bulk-optodos pueden resumirse en una fácil preparación, no requieren el uso de solventes orgánicos como THF y no son dependientes del pH del medio. Los bulk-optodos y nano-optodos se caracterizaron por técnicas de espectroscopia molecular UV-VIS, donde se estudió el cambio del color de la fase sensora según el perfil de desprotonación del cromoionóforo, obteniendo picos de absorción a longitudes de onda aproximados de 540 nm correspondiente a la absorción de la forma desprotonada del cromoionóforo ETH 5294 (C) y longitudes de onda aproximadas de 600 nm y 660 nm para la forma protonada del cromoionóforo ETH 5294 (C-H+) con un punto isosbéstico aproximado a 580 nm de los espectros a todas las concentraciones estudiadas. Los nano-optodos también se caracterizaron mediante técnicas de identificación estructural como el microscopio electrónico de barrido (SEM) permitiendo la descripción morfológica del nano-optodo, obteniendo formas esféricas coherentes con las micelas esperadas. Adicionalmente, se determinó el perfil de tamaños de los nano-optodos por la técnica de análisis de dispersión dinámica de la luz (DLS), donde se obtuvo tamaños de nano-optodos huecos promedios de 87.0 nm y 82.2 nm, con proporciones de 0.5 % y 1.0 % de surfactante pluronic F-127 respectivamente. Cuando se adicionó 20 μL de cocktail del optodo se obtuvo picos de tamaños de nano-optodos promedio de 412.4 nm y 181.7 nm a proporciones de 0.5 % y 1.0 % de surfactante pluronic F-127 respectivamente. La optimización de los optodos incluyó el estudio de su composición y aditivos, así como la influencia a diferentes niveles de pH. Se obtuvo una concentración óptima para el bulk-optodo y nano-optodo de 2.40 μM tanto para el ionóforo valinomicina, intercambiador de iones tetrakis (4-clorofenil) borato de potasio y el cromoionóforo ETH 5294. En el bulk- optodo se evaluó la composición del soporte y relación de los aditivos como 160 mg del polímero PVC y 320 mg del plastificante DOS en una relación [1:2] y la estabilidad de la señal en un rango de pH entre valores de 5.0 y 9.0, obteniendo un valor óptimo al pH 7.00 del tampón TRIS a 20 mM. En el nano-optodo no se aplicó ningún soporte, en cambio, se usó al estabilizador de superficie Pluronic F-127 con una cantidad de 1.0 %. Los resultados optimizados mostraron una buena correlación con los perfiles de desprotonación teórico, estimados a partir de la composición, tanto del bulk-optodo como del nano-optodo. La validación analítica del bulk-optodo y nano-optodo se efectuó siguiendo las directrices del Instituto Nacional de Calidad (INACAL). Ambos optodos probaron ser altamente selectivos a iones K+, con una buena sensibilidad y precisión. Los iones interferentes (iones Na+, Li+, Ca2+ y Mg2+) obtuvieron coeficientes de selectividad mayores a 1.0, es decir, la interferencia en la concentración de potasio no es superior al 10 %. La sensibilidad analítica se determinó en el rango de trabajo para el modelo de calibración lineal del bulk-optodo desde 1.0 M - 10-6 M K+ con un LD BO = 0.31 μM (3.15 x 10-7 M) y para el nano-optodo desde 1.0 M - 10-4 M K+ con un LD NO = 30.3 μM (3.03 x 10- 5 M). La precisión fue verificada en condiciones de repetibilidad (mediciones realizas por el mismo analista) y condiciones de reproducibilidad (mediciones realizas por diferentes analistas). El parámetro estudiado fue la desviación estándar relativa (RSD), para el bulk- optodo solo a concentraciones altas de potasio (1.0 M), la desviación fue más alta que el RSDHorwitz, en cambio, para el nano-optodo, el RSD experimental fue menor al RSDHorwitz en todo el rango de potasio. La veracidad fue evaluada por comparación de los resultados de potasio de 4 muestras de suelos agrícola de la zona de Canta-Lima, provenientes de dos Fundos El Tambo y Tunapis en dos horizontes de 0-30 cm y 30-60 cm de profundidad. Estos resultados fueron comparados con las metodologías de referencias: Absorción Atómica (AA) y Electrodo selectivo a iones (ISE). En la prueba de ANOVA los valores de p-value fueron mayor a 0.05 (nivel de significancia del 95 %), por ende, la metodología aquí desarrollada se considera como veraz para el alcance propuesto como muestras acuosas de extracto de suelos agrícolas en un rango de trabajo de potasio entre 10-4 – 1.0 M. La estabilidad de la señal fue verificada por la trazabilidad de concentración de potasio para el bulk-optodo hasta 2 horas y nano-optodo hasta 48 horas. Para el bulk-optodo a concentraciones entre 10-6 M y 1.0 M de potasio fue estable entre 1 y 2 horas, la concentración fue disminuyendo por la pérdida de plastificante de la fase sensora. Para el nano-optodo la concentración fue estable por más tiempo, a concentraciones de 10-4 M, 10- 2 M y 1.0 M de potasio fue estable por 48 horas, 24 horas y 6 horas respectivamente. Después de optimizado el método de cuantificación de potasio por espectroscopia del UV-Vis, se utilizó esta metodología optimizada con un dispositivo de diseño propio de captura de imágenes para la detección del cambio de color del nano-optodo. El dispositivo usado es un ordenador de placa simple (SBC) Raspberry Pi 4 B capaz de convertir la imagen capturada con una cámara digital de 5 MP a una señal en el espacio de color RGB. A partir de las señales de color RGB se empleó una transformación logarítmica para obtener una correlación lineal entre el color de la fase sensora del nano-optodo y la concentración de potasio. El dispositivo de medición colorimétrica probó poca dependencia al control estricto de la iluminación externa, se comparó las pendientes e interceptos de las curvas de calibración de los distintos tipos de iluminación. Se obtuvieron valores semejantes de concentraciones de potasio en todo el rango de trabajo (10-5 – 10-1 M) para las luces de color blanca, rojo, verde, amarilla, azul y magenta, siendo poco precisa para iluminaciones de color rojo a concentración elevadas de potasio (10-1 M). Se compararon los resultados de la espectroscopia UV-Vis con los métodos de absorción atómica (AA) y electrodos selectivos de iones (ISE) en las muestras de extracción de iones de potasio del suelo. El análisis estadístico mostró que los resultados analíticos son estadísticamente semejantes para las tres metodologías estudiadas para suelos agrícolas, lo que confirma la fiabilidad del método colorimétrico. La sensibilidad, evaluada por el límite de detección (LD = 1,03x10-5) y el límite de cuantificación (LC = 3,42x10-5), es consistente con el rango de concentración propuesto (10-5 – 10-1 M K+). Este trabajo logró un novedoso hallazgo, con la reversibilidad del nano-optodo para reutilización analítica, esto se logró mediante la extracción de iones K+ dentro de la micela y posterior precipitación como sal insoluble tetrafenil borato de potasio (KTP4B), como lo demuestran las curvas de calibración durante un 1er y 2do ciclo de análisis, siendo equivalente entre sí. En resumen, esta tesis logró desarrollar un dispositivo colorimétrico basado en nano- optodos como sensor analítico y composición Raspberry pi con lenguaje de programación Python como una potente herramienta analítica para cuantificar iones K+. Se demostró que el nano-optodo es selectivo a iones potasio (K+), en presencia de iones interferentes estudiados (Na+, Li+, Ca2+ y Mg2+), también es altamente sensible y preciso, alcanzando límites de detección en el rango de 10-5 M y con variabilidad esperada según el RSD Horwitz. La veracidad de la metodología fue corroborada comparando con una metodología de referencia acreditada (AA). Adicionalmente el color desarrollado por el nano-optodo es estable hasta 48 horas y probó que la señal obtenida por el dispositivo colorimétrico es independiente de las condiciones de iluminación externa, demostrando el potencial de este dispositivo colorimétrico para un control ambiental preciso y rentable de iones K+ en suelos agrícolas.