Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Desarrollo y caracterización de un sensor basado en nanoestructuras de carbono contenido en
polímeros conductores para aplicaciones óseas
Aida Ximena Velasco Velasco
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales (Área curricular de
Ingeniería Geológica e Ingeniería de Minas y Metalurgia)
Medellín, Colombia
2017
Desarrollo y caracterización de un sensor basado en nanoestructuras de carbono contenido en
polímeros conductores para aplicaciones óseas
Aida Ximena Velasco Velasco
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título
de:
Magister en Ingeniería Materiales y Procesos
Director:
Doctor Hugo Armando Estupiñan Duran
Línea de Investigación:
Biomateriales
Grupo de Investigación:
Tribología y Superficies
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales (Área curricular de
Ingeniería Geológica e Ingeniería de Minas y Metalurgia)
Medellín, Colombia
2017
A mi hija, a mi esposo, mis padres y hermanos
Si en lugar de E= mc2 aceptamos que la
energía para sanar el mundo puede
obtenerse a través del amor multiplicado por
la velocidad de la luz al cuadrado, llegaremos
a la conclusión de que el amor es la fuerza
más poderosa que existe, porque no tiene
limites
Albert Einstein
Agradecimientos
Agradezco al profesor Hugo Armando Estupiñan Duran profesor asociado de la
Universidad Nacional, por sus orientaciones, incentivos y sugerencias en la realización
del presente trabajo final del máster. Quien me ha conducido durante estos meses y
mostrando en cada ocasión disposición ante las dudas que durante la realización del
mismo me surgieron, aportando valiosas observaciones que en todo momento guiaron
esta investigación bibliográfica.
A mis compañeros de laboratorio quienes estuvieron siempre prestos a colaborarme con
cada una de las pruebas y su amistad a lo largo de esto meses, a mi colega James
Rosero quien me apoyo en todo esta experiencia investigativa y de quien aprendí el
mundo de la electroquímica.
A mi esposo, mi hija, padres y hermanos quienes siempre han estado ahí para darme su
apoyo moral y emocional en cada momento de mi vida.
Resumen y Abstract V
Resumen
Desarrollo y caracterización de un sensor basado en nanoestructuras de
carbono contenido en polímeros conductores para aplicaciones óseas
El mejoramiento o construcción de electrodos para biosensores con nuevos materiales
es una de las alternativas para aumentar el rendimiento a largo plazo de estos
dispositivos que se utilizan en la regeneración de músculos, tejidos, huesos, etc., porque
permiten la identificación de sustancias fisiológicas que intervienen en el proceso. Por lo
cual, en esta investigación se realizó una electropolimerización inicial de películas
compuestas polipirrol (Ppy), y nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados
con NH2 (Ppy/MWCNTs-NH2), el crecimiento del compuesto es sobre un electrodo de
grafito (EG), las películas obtenidas se les denominó Ppy/MWCNTs-NH2/EG,
posteriormente en una segunda fase se realizaron películas de Ppy y PEDOT con un
goteo de BSA (proteína ) y Quitosano (Q) a estas películas se les denomino inicialmente
(BSA@MIPs/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/EG), (BSA@MIPs/MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG)
donde la BSA (albumina de suero bovino) es el analito a sensar y el cual es equiparable
a la BSH (albumina de suero humano), este se usó como anclaje de reconocimiento
biológico, la adición de Quitosano (polímero natural biocompatible) permitió conseguir un
alto rendimiento del sensor aumentando la actividad eléctrica y la biocompatibilidad con
el electrolito, finalizada la fabricación del sensor se realizó un baño en ácido sulfúrico
H2SO4 1 M donde se extrajo la BSA creando una huella impresa en el sensor, para su
posterior entrenamiento en una solución de PBS (bufer de fosfato salino) en el rango de
10-4 M a 10-9 M de BSA; el cual se relacionó con el rechazo de BSA y bloqueo de las
cavidades que quedan expuestas después del baño (DB) en la matiz polimérica
compuesta y permitió determinar la concentración de la proteína BSA en la solución de
PBS, a estas películas se les denomino (MIPs/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/EG),
(MIPs/MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG), luego se realizó una tercera fase con una
Resumen y Abstract VI
electropolimerización por pasos de los dos polímeros, donde se utilizó la técnica de
molécula impresa, a estas películas se les denomino (MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-
NH2/Ppy/EG) , en el cual se utilizó el mismo analito y el mismo polímero natural De los
resultados obtenidos se identificaron cuáles de las muestras podrían poseer propiedades
específicas para una aplicación como biosensor. Para ello se realizaron estudios de la
morfología mediante microscopio electrónico de barrido (MEB), caracterización química y
estructural mediante espectroscopia Raman confocal, espectroscopia de impedancia
electroquímica (EIE) y voltametria de pulso diferencia (DPV),
Palabras clave: Sensor, electrodo de grafito, electropolimerización, pirrol, EDOT,
nanotubos de pared múltiple funcionalizados, voltametría cíclica (VC),
espectroscopia Raman.
Resumen y Abstract VII
Abstract
Development and characterization of a sensor based on carbon
nanostructures contained in conductive polymers for bone applications
The improvement or construction of electrodes for biosensors with new materials is one
of the alternatives to increase the long-term performance of these devices are used in the
regeneration of muscles, tissues, bones, etc., because they allow the identification of
physiological substances that Involved in the process. Whereby, in this investigation, an
initial electropolymerization of polypyrrole composite films (Ppy), and NH2-functionalized
multiple wall carbon nanotubes (Ppy / MWCNTs-NH2), the growth of the compound It has
been made on a graphite electrode (EG ), The films obtained were named Ppy /
MWCNTs-NH2 / EG, later in a second phase films of Ppy and PEDOT with a drip of BSA
(protein) and Chitosan (Q) were made to these films they were denominated initially (BSA
MIPs / MWCNTs-NH2 / PEDOT / Q / EG), where the BSA (bovine serum albumin) is the
analyte to be sensed and which is comparable with the BSH (human serum albumin) this
it was used as biological recognition anchorage, the addition of Chitosan (natural
biocompatible polymer) allowed to achieve a high performance of the sensor increasing
the electrical activity and biocompatibility with the electrolyte, completed the fabrication of
sensor It has been made a bathroom in sulfuric acid H 2 SO 4 where the BSA was
extracted for creating a printed footprint on the sensor, for Its posterior training in a PBS
solution (saline phosphate buffer) in the range of 10-4 M to 10-9 M of BSA ; which it was
related to the rejection of BSA and blocking the cavities that remain exposed after the
bath (DB) in the composite polymer matrix and it allowed determine the concentration of
the BSA protein in the PBS solution, these films are called ( MIPs / MWCNTs-NH2 / Ppy /
Q / EG), (MIPs / MWCNTs-NH2 / PEDOT / Q / EG), then a third step was performed with
Resumen y Abstract VIII
a stepwise electropolymerization of the two polymers, where the printed molecule
technique was used, these films are called (MIPs / Q / PEDOT / MWCNTs-NH2 / Ppy /
EG), in which used the same analyte and the same natural polymer were. From the
results obtained, the were identified which of the samples could possess properties
specific for an application as a biosensor. For this, morphology studies were carried out
using scanning electron microscopy (SEM), chemical and structural characterization by
confocal Raman spectroscopy, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and
differential pulse voltammetry (DPV).
Keywords: Sensor, graphite electrode, electropolymerization, pyrrole, EDOT,
functionalized multiple wall nanotubes, cyclic voltammetry (VC), and Raman
spectroscopy.
Contenido IX
Contenido
Pág.
1 Capítulo 1. Fundamentos teóricos ........................................................................ 24
2 Capítulo 2. Métodos ............................................................................................... 63
3 Capítulo 3. Parte experimental .............................................................................. 77
4 Capítulo 4. Resultados y Discusión ...................................................................... 89
5 Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 171
Contenido X
Lista de figuras
Pág.
Figura 1. Esquema genérico de un biosensor [2,1] ........................................................ 26
Figura 2. Dependencia de la velocidad de la reacción enzimática frente a la
concentración de sustrato. [1,2] ...................................................................................... 37
Figura 3. Clasificación de los métodos de inmovilización.[2,1] ....................................... 38
Figura 4. Inmovilización enzimática por encapsulamiento. [1,2] ..................................... 39
Figura 5. Inmovilización enzimática mediante microcapsulación.[1,2] ............................ 40
Figura 6. Inmovilización enzimática por adsorción sobre la superficie ............................ 41
Figura 7. Inmovilización enzimática mediante entrecruzamiento. [1,2] ........................... 41
Figura 8. Inmovilización mediante unión covalente a) no orientada b) orientada. [1,2] ... 42
Figura 9. Tipos de Nanotubos de carbono. a) Nanotubos de carbono de una capa, b)
Nanotubos de carbono de capas múltiples. [10,2] ........................................................... 45
Figura 10. Polímeros conductores más comunes. [2,1] .................................................. 47
Figura 11. Estructura del PEDOT [14,1] ......................................................................... 47
Figura 12. Estructura de quitina[17] ................................................................................ 50
Figura 13. Quitosano[17] ................................................................................................ 50
Figura 14 Clasificación de los electrodos modificados. [2,1] ........................................... 53
Figura 15. Posibles aplicaciones para los polímeros conductores, en función de sus
propiedades. [2,1] ........................................................................................................... 58
Figura 16 Serie de polímeros mostrando la estructura unitaria. [2,1] .............................. 58
Figura 17. Determinación electroquímica indirecta de un analito en los electrodos
modificados con película de MIP usando el "efecto de gating" y las correspondientes
respuestas de potencial de corriente de DPV. ................................................................ 60
Figura 18. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría de barrido lineal. [7,2]
....................................................................................................................................... 65
Figura 19. Ejemplo de pico de intensidad de corriente obtenido en una voltametría de
barrido lineal. [7,2] .......................................................................................................... 65
Figura 20. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría diferencial de
impulsos. [7,2] ................................................................................................................. 66
Figura 21. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría de salto potencial.
[7,2] ................................................................................................................................. 66
Figura 22. Evolución del voltaje frente a tiempo en una voltametría cíclica. [9] .............. 67
Figura 23. Ejemplo de voltamperograma cíclica. [7,2] .................................................... 69
Figura 24. Potensiostat/Galnostat/ZRA GAMRY instruments 1000E- Laboratorio de
Biomateriales Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín................................. 71
Contenido XI
Figura 25. MEB – EDS X-ACT OXFORD – Laboratorio de Biomateriales Universidad
Nacional de Colombia – Sede Medellín .......................................................................... 72
Figura 26. AFM PARK NX10 - Laboratorio de Biomateriales Universidad Nacional de
Colombia – Sede Medellín ............................................................................................. 74
Figura 27. RAMAN LABRAM HR EVOLUTION HORIBA- Laboratorio de Biomateriales
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín ...................................................... 76
Figura 28. Celda electroquímica .................................................................................... 78
Figura 29. Proceso de pulido y lavado de los electrodos ............................................... 80
Figura 30. a) Sonicación de la mezcla de KCL y MWNTs-NH2, b) Dispersión del electrolito
....................................................................................................................................... 81
Figura 31. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las
películas compuestas del polímero de Ppy conductor y los nanotubos de carbono de
pared múltiple. ................................................................................................................ 82
Figura 32. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las
películas compuestas de los polímeros conductores de Ppy o PEDOT y los nanotubos de
carbono de pared múltiple. ............................................................................................. 84
Figura 33. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las
películas compuestas de los polímeros conductores de Ppy, PEDOT y los nanotubos de
carbono de pared múltiple. ............................................................................................. 86
Figura 34. Voltagramas a) Prueba de oxidación Py, b) Voltametría cíclica de
electropolimerización por oxidación anódica. ................................................................. 90
Figura 35. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) 6mg
agitación, e) 8mg agitación, f) Ppy.................................................................................. 91
Figura 36. Voltagramas de electropolimerización con: 2mg, 4mg, 6mg, 8mg y solamente
PPy. ............................................................................................................................... 92
Figura 37. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) Ppy. ....... 94
Figura 38. Voltagramas a) Prueba de oxidación PEDOT, b) Voltametría cíclica de
electropolimerización por oxidación anódica. ................................................................. 96
Figura 39. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) PEDOT. . 97
Figura 40 . Voltagramas de electropolimerización, electrodos por pasos Ppy-PEDOT a)
2mg, b) 4mg, c) 6mg. ..................................................................................................... 99
Figura 41. Espectros Raman de a) Py puro en estado líquido, laser 785 nm, b) Py en
estado líquido y Ppy electrodepositado sobre EG laser 785 nm. ...................................101
Figura 42. Espectros Raman de PEDOT sobre el electrodo de grafito (EG) .................102
Figura 43. Espectros Raman de los MWCNTs-NH2 ......................................................103
Figura 44. Espectros Raman a) muestra con 2mg, b) muestra con 6mg, c) muestras con
4mg, ..............................................................................................................................104
Figura 45. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas de Ppy/MWCNTs-NH2 (a-b) Ppy solo, (c-d) 2mg,(e-f) 4mg, (g-
h) 6mg con agitación, (i-j) 8mg con agitación. ...............................................................105
Figura 46. Espectro Raman en varios puntos de observación (P1, P2 Y P3) de la
muestra de PPy/6mg. ....................................................................................................106
Figura 47. Imágenes en MEB de nanotubos de carbono recubiertos de Ppy dispersos en
la matriz polimérica. ......................................................................................................107
Contenido XII
Figura 48. a) Espectro Raman de la BSA liquida, b) BSA sólida. ................................. 108
Figura 49. Espectro Raman de Quitosano (Q).............................................................. 112
Figura 50. Espectros Raman correspondiente a los blancos de a) PEDOT-Q, b) PEDOT,
c) Quitosano (Q) ........................................................................................................... 113
Figura 51. Espectros Raman de a) Ppy-Q, b) Ppy, c) Q ............................................... 114
Figura 52. Espectros Raman de a) Ppy, b) PEDOT, c) Q, d) Ppy-EDOT-Q .................. 115
Figura 53. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas de a),b) y c) de PEDOT, d) PEDOT-Q, e) y f) Ppy-Q, g),h) e i)
Ppy-PEDOT-Q. ............................................................................................................. 116
Figura 54. Espectros Raman de los tres electrodos de PPY a diferentes concentraciones
2,4 y 6 mg ..................................................................................................................... 118
Figura 55. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas de BSA@MIPs /MWCNTs-NH2/Ppy /Q/EG a),b),c) 2 mg, d), e),
f) 4 mg, g),h) e i) 6 mg. .................................................................................................. 120
Figura 56. Espectros Raman de los tres electrodos de PEDOT a diferentes
concentraciones 2,4 y 6 mg. ......................................................................................... 122
Figura 57. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas de BSA@MIPs /MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG a),b),c) 2 mg, d),
e), f) 4 mg, g),h) e i) 6 mg.............................................................................................. 124
Figura 58. Espectros Raman de los tres electrodos de PEDOT - Ppy a diferentes
concentraciones 2,4 y 6 mg. ......................................................................................... 125
Figura 59. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas de BSA@MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-NH2/Ppy/EG a),b),c) 2
mg, d), e), f) 4 mg, g),h) e i) 6 mg. ................................................................................. 127
Figura 60. Imágenes MEB del grosor del recubrimiento sobre las superficies de los
electrodos de grafito EG modificados con películas compuestas
BSA@MIPs/Q/X*/MWCNTs-NH2/EG. Ppy (a) 2,b) 4,c) 6)mg, (d) 2,e) 4,f) 6)mg PEDOT;
X* (Ppy o PEDOT). ...................................................................................................... 128
Figura 61. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados
con películas compuestas MIPs/Q/X*/MWCNTs-NH2/EG. Ppy (a) 2,b) 4,c) 6)mg, (d) 2,e)
4,f) 6)mg PEDOT. ......................................................................................................... 129
Figura 62. Morfología de los polímeros Ppy y PEDOT ................................................. 131
Figura 63. Blancos de Ppy y PEDOT con quitosano (Q). ............................................. 132
Figura 64. Electrodos de Ppy a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 (2,4 y 6
mg). .............................................................................................................................. 134
Figura 65. Electrodos de PEDOT a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 (2,4 y 6
mg). .............................................................................................................................. 135
Figura 66. Electrodos de Pasos (PEDOT – Ppy) a diferentes concentraciones de
MWCNTs-NH2 (2,4 y 6 mg) ........................................................................................... 137
Figura 67. Diagrama de Bode de los blancos de Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy, Z mod (0V),
Fase (0V) Vs. Frecuencia.............................................................................................. 141
Figura 68.Diagrama de Nyquist para los Blancos de Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy Zreal Vs.
–Zimg (ohm). ................................................................................................................ 142
Figura 69. Circuitos eléctricos equivalentes para a) Ppy, b) PEDOT, c) PEDOT-Ppy .. 143
Contenido XIII
Figura 70. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo
circuito eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de Ppy a diferentes
concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico (H2SO4). ..................147
Figura 71. Circuitos equivalentes a los electrodos de PPy antes del baño (AB) y después
del baño (DB) con H2SO4 respectivamente, a) y b) Electrodo 1 Ppy, c) y d) Electrodo 2
Ppy, e) y f) Electrodo 3 Ppy. ..........................................................................................149
Figura 72. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo
circuito eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de PEDOT a diferentes
concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico (H2SO4). ..................151
Figura 73. Circuitos equivalentes a los electrodos de PEDOT antes del baño (AB) y
después del baño (DB) con H2SO4 respectivamente, a) y b) Electrodo 1 PEDOT, c) y d)
Electrodo 2 PEDOT, e) y f) Electrodo 3 PEDOT. ...........................................................153
Figura 74. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo
circuito eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de Pasos (PEDOT-
Ppy) a diferentes concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico
(H2SO4). ........................................................................................................................156
Figura 75. Circuitos equivalentes a los electrodos de PEDOT-Ppy antes del baño (AB) y
después del baño (DB) con H2SO4 respectivamente. ....................................................158
Figura 76. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de
BSA para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG). a) Electrodo 1 de Ppy, b)
Electrodo 2 de Ppy, c) Electrodo 3 de Ppy. ...................................................................161
Figura 77. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/GE)
para diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10 mM de [Fe (CN)6]3-/4- a)
Blanco Ppy, b) Electrodo 1 de Ppy, c) Electrodo 2 de Ppy, d) Electrodo 3 de Ppy. ........162
Figura 78. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de
BSA para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT/EG). A) Electrodo 1 de
PEDOT, b) Electrodo 2 de PEDOT, c) Electrodo 3 de PEDOT. .....................................164
Figura 79. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-
NH2/PEDOT/Q/GE) para diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10 Mm de
[Fe (CN)6]3-/4- ,a) Electrodo 1 de PEDOT, b) Electrodo 2 de PEDOT, c) Electrodo 3 de
PEDOT. .........................................................................................................................165
Figura 80. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de
BSA para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT-Ppy/EG). A) Electrodo 1 de
PEDOT-Ppy, b) Electrodo 2 de PEDOT-Ppy, c) Electrodo 3 de PEDOT-Ppy. ...............167
Figura 81. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-
NH2/PEDOT/Ppy/Q/EG) para diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10Mm
de [Fe (CN)6]3-/4- , a)Blanco Pasos, b)Electrodo 1 de Pasos, c) Electrodo 2 de PEDOT-
Ppy, d) Electrodo 3 de Pasos. .......................................................................................168
Contenido XIV
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1. Clasificación de sensores químicos y biosensores según el transductor utiliza . 26
Tabla 2. %V/V Utilizado para cada una de las electropolimerización. ............................. 81
Tabla 3. Concentración de los diferentes electrodos de Ppy ........................................... 83
Tabla 4. Concentración de los diferentes electrodos de Ppy , PEDOT y Pasos (PEDOT-
Ppy) ................................................................................................................................ 85
Tabla 5. Cantidades utilizadas para la realización de los blancos fase experimental II-III
....................................................................................................................................... 85
Tabla 6. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de Ppy en presencia de
MWCNTs-NH2 y BSA. ..................................................................................................... 95
Tabla 7. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de EDOT en presencia de
MWCNTs-NH2 y BSA. ..................................................................................................... 98
Tabla 8. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de PEDOT y Ppy en presencia
de MWCNTs-NH2 y BSA. .............................................................................................. 100
Tabla 9. Bandas obtenidas en el análisis estructural Raman y asignación a cada uno de
los grupos funcionales del Ppy. ..................................................................................... 108
Tabla 10. Asignación de picos de los espectros de Raman de Albúmina Bovina en
estados de sólido y líquido. ........................................................................................... 111
Tabla 11. Asignación de picos de los espectros de Raman de Quitosano (Q) .............. 112
Tabla 12. Grosor de recubrimiento ............................................................................... 128
Tabla 13. Valores de Ra y Rq de las muestras. ............................................................ 138
Tabla 14. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
Ppy-Q, PEDOT-Q y PEDOT-Ppy-Q. ............................................................................. 144
Tabla 15. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
Ppy-Q antes y después del baño con H2SO4................................................................. 149
Tabla 16. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
PEDOT-Q antes y después del baño con H2SO4. .......................................................... 153
Tabla 17. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
PEDOT-Ppy-Q antes y después del baño con H2SO4. .................................................. 159
Tabla 18. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos de
Ppy. .............................................................................................................................. 162
Tabla 19. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos de
PEDOT. ........................................................................................................................ 165
Contenido XV
Tabla 20. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos
por Pasos. .....................................................................................................................168
Tabla 21. Valores correspondiente a las energía libre de Gibbs ...................................170
Contenido XVI
Lista de Símbolos y abreviaturas
Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI Definición
Conductividad (S/m) Ecuación 1
Conductividad Específica (S cm-1), Ecuación 1
Concentración de iones (mol cm-3) Ecuación 1
Intensidad – concentración Ecuación 2-3 A Área de trabajo m2 Ecuación 2-3 D0 Coeficiente de Difusión (m2/s) Ecuación 2-3 Concentración del Analito ml Ecuación 2-3
X Distancia de la doble capa m Ecuación 2-3 (δ). Capa de difusión Ecuación 2-3
Fuerza electromotriz del electrodo V Ecuación 4
Ecuación 4
Potencial normal del electrodo V Ecuación 4
Actividad del ión mol min-1. Ecuación 4
Constante de los gases
J/(K mol) (8.3144 JK-
1 mol-1)
Ecuación 2-3-4
Temperatura absoluta K Ecuación 4
Numero de carga del ión Ecuación 4
Constante de Faraday (9.6485*104 Cmol-1)
Ecuación 4
Velocidad de reacción Catalizada Ecuación 5
Velocidad máxima de reacción Ecuación 5
Constante de Michaelis Ecuación 5
[ ] Concentración del sustrato mM (milimolar)
Ecuación 5
Abreviaturas Abreviatura
Término
MIEQ Sensor electroquímico impreso molecularmente MIPs Polímeros con impresión molecular
GR Grafeno
ILs Líquidos Iónicos Q Quitosano EG Electrodo de Grafito
Contenido XVII
Abreviatura
Término
Py Pirrol Ppy Polipirrol EDOT Poly(3,4 - etilendioxitiofeno) PEDOT Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) EIE Espectroscopia de impedancia electroquímica DPV Voltametría de pulso diferencial SEI Detector de electrones secundarios BEI Detector de electrones retrodispersados EDS Detector de Energía dispersiva MEB Microscopía electrónica de barrido MFA Microscopía de fuerza atómica IR Infrarrojo MWCNTs Nanotubos de carbón de pared múltiple MWCNTs-NH2 Nanotubos de carbón de pared múltiple funcionalizados VC Voltametria cíclica DPV Voltametria de pulso diferencial BSA Albumina de Suero Bovino
BSA/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/EG Electrodos de Ppy con nanotubos de pared múltiple funcionalizados
BSA/MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG
Electrodos de PEDOT con nanotubos de pared múltiple funcionalizados
BSA@MIPs Molécula impresa de BSA BSA@MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-NH2/Ppy/EG
Electrodo de molécula impresa por pasos de PEDOT-Ppy/BSA/nanotubos de carbono
Qdep Carga de deposición Ra Promedio de la rugosidad de cada una de las muestras Rq Rugosidad media cuadrática CEE Circuito eléctrico equivalente
Definición del problema 18
Definición del problema
De acuerdo con el estado del arte se evidencia el desarrollado de sensores para la industria
biomédica desde hace algunos años, los cuales han permitido detectar los procesos
biológicos, químicos, o físicos que sufre el cuerpo del ser humano, estos dispositivos censan
y luego transmiten o reportan esta información. Algunos sensores trabajan fuera del cuerpo,
mientras que otros están diseñados para ser implantados dentro de él. La función de los
sensores en la medicina es ayudar a los proveedores del cuidado de la salud y a los
pacientes a monitorear sus condiciones lo cual asegura que puedan tomar decisiones
acertadas sobre el tratamiento. Los sensores también se utilizan a menudo para monitorear
la seguridad de los medicamentos, los alimentos, las condiciones ambientales, y otras
sustancias que podríamos encontrar.
En los últimos años se han venido desarrollando mezclas de materiales que promuevan la
regeneración ósea un ejemplo de ello son las prótesis maxilofaciales recubiertas con
materiales que ayudan a regenerar el tejido óseo en menor tiempo entre otros, sin embargo,
no se reporta en la literatura el desarrollo de mezclas de materiales para la fabricación de
electrodos, que permitan concebir el desarrollo de un sensor que pueda monitorear la
regeneración del tejido (especialmente tejido óseo), y que a su vez monitoreé el proceso de
cicatrización y estabilización del proceso regenerativo.
Teniendo en cuenta lo anterior, este trabajo busco funcionalizar los electrodos de grafito con
nanotubos de carbono que permitan mejorar sus propiedades y facilite el intercambio de
electrones en una reacción de oxidación-reducción, posteriormente embeberlos en los
polímeros conductores (EDOT, Ppy) que permitieran aumentar la actividad eléctrica y a su
vez permitirá monitorear las señales entregadas por los sensores en los ambientes
fisiológicos simulados, en este caso una solución de PBS (bufer de fosfato salino) en el
rango de 10-4 M a 10-9 M de BSA, se utilizó como elemento de reconocimiento.
Definición del problema 19
Las principales características que se tuvieron en cuenta en la evaluación fueron, la
estabilidad estructural, morfológica y eléctroquímica, adicionalmente la capacidad para
mantener señales eléctricas en rangos adecuados adaptados a los tejidos a aplicar. Por
último se realizarán comprobaciones de su potencial eléctrico mediante mediciones de
campo electrodo-fluido, electrodo fluido con iones, electrodo fluido con iones y proteínas, con
el objetivo de seleccionar el sensor que presente el mejor desempeño.
Justificación 20
Justificación
Los mayores avances en el campo de los biomateriales se han dado en los países
desarrollados como consecuencia de la necesidad de tratar clínicamente a un gran número
de pacientes con múltiples enfermedades, entre ellas se encuentran las relacionadas con los
problemas de tejidos óseos (tejidos duros y blandos), en la actualidad se estima que más de
cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis
[1]; lo anterior incentiva a la industria de la salud a la búsqueda de posibles soluciones a
dichos problemas, una de las soluciones que se han venido implementando es desarrollo de
nuevos materiales que sean biocompatibles con la fisiología del cuerpo humano, que en
algunos casos permite la sustitución de piezas óseas, las más conocidas son las
maxilofaciales; pero un problema en el que aún no se ha investigado a profundidad, es en el
desarrollo de dispositivos electrónicos como los sensores, que faciliten a los profesionales de
la salud el monitoreo permanente de la regeneración y cicatrización ósea, ya que una vez
implantada la pieza, se desconoce a detalle el proceso interno al que se somete; esto ha
generado una gran demanda en la fabricación de nuevos materiales y dispositivos que
permitan conocer en tiempo real el proceso de sustitución y reparación artificial de los
huesos; contar con este tipo de dispositivos permitiría al profesional de la salud tomar
decisiones acertadas sobre los tratamientos a seguir, según sea el proceso de recuperación
del paciente, mediante el monitoreo de los procesos biológicos que intervienen en su
recuperación, dando como resultado el mejoramiento de la calidad de vida.
Objetivos 21
Objetivos
1.1 Objetivo general
Desarrollar un sensor basado en nanoestructuras de carbono, contenidos en
polímeros conductores (Polipirrol, PEDOT y Quitosano) para aplicaciones óseas.
1.2 Objetivos específicos
Evaluar la estabilidad y actividad electródica del sensor de nanotubos de carbono
embebidos en PEDOT, Polipirrol y Quitosano mediante AFM, MEB, microscopia
Raman, Voltametría de pulso diferencial (DPV) e impedancia electroquímica (EIE).
Determinar las mejores condiciones de señal eléctrica y electroquímica (pulso
triangular, cuadrado y sinusoidal), de entrada y salida de los electrodos desarrollados
en condiciones simuladas, empleando técnicas electroquímicas.
Introducción 22
Introducción
El creciente interés por realizar análisis ambientales y biomédicos de forma rápida y
económica, así como por optimizar la producción mediante análisis en continuo (“on-line”),
ha dirigido la investigación de los sensores hacia la puesta a punto de métodos analíticos
que sean compatibles con sus necesidades. Los sensores son dispositivos que transforman
la información física o química en una señal útil que pueda ser procesada y que facilite
información de interés de una manera rápida y sin necesidad de análisis muy complejos [1].
Estas características, combinadas con la incorporación de los últimos avances en
tecnologías de miniaturización en la fabricación masiva de sensores, hacen de estos
dispositivos unas herramientas de interés en la industria. Existen dos clases de sensores,
clasificados según el tipo de información que sean capaces de transformar en:
Físicos: Dispositivos que detectan cambios en parámetros físicos (temperatura,
presión, flujo de masa, etc.)
Químicos: Detectan cambios de pH, concentración, composición entre otros.
En la actualidad la mayor parte de sensores utilizados para el control de procesos
industriales son físicos, pero la necesidad de obtener información química ha favorecido la
investigación y el desarrollo de este tipo de sensores, principalmente en el área biomedicina.
Desde que se describieron los primeros sensores químicos a principios del siglo XX, estos
dispositivos han dado lugar a una gran producción científica. Sin embargo, su aplicación ha
sido muy limitada ya que su fabricación suele realizarse manualmente, lo cual está asociado
a un elevado costo. De esta manera, se hace necesario desarrollar nuevos métodos de
fabricación de sensores químicos que permitan una producción automatizada, reduciendo
los costos de producción, y poder aprovechar así la gran potencialidad analítica que tienen
estos dispositivos [2].
Introducción 23
Por esta razón, durante los últimos 30 años, los biosensores electroquímicos han cobrado
gran importancia, especialmente en aplicaciones industriales, reduciendo así los costos en
su fabricación. De esta manera, es posible la integración en un área pequeña de dos o
tres electrodos requeridos habitualmente para la realización de medidas voltamperométricas.
Otra de las ventajas que presenta el uso de biosensores miniaturizados es el mínimo
consumo de reactivos. Disponer de un área de trabajo mucho menor, requiere menor
cantidad de material fisiológico en la fabricación, a la vez que permite trabajar con
volúmenes de muestra más pequeños. Por otra parte, estas dimensiones reducidas permiten
realizar análisis rápidos y hacer un seguimiento de los productos incluso en continuo (“on-
line”) e in situ. Como inconveniente, la instrumentación que se requiere ha de ser mucho
más sensible, ya que la señal que se debe tratar, es mucho menor [1].
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 24
Capítulo 1. Fundamentos teóricos
Un sensor es un dispositivo que detecta cierta característica del medio externo, la transforma
en otra que pueda ser fácilmente transmisible, medible y procesable, y transmite ésta última
al dispositivo de control correspondiente. Realiza, por tanto, dos labores fundamentales:
detección y transducción. El detector y el transductor pueden ser elementos separados o
estar ambos integrados en el transductor. Es muy habitual que la característica a medir se
transforme en magnitudes eléctricas, ya que éstas son fácilmente manipulables [2]. Luego,
los sensores químicos formados por un elemento de reconocimiento biológico se definen
como biosensores, estos se encuentran en íntimo contacto con un sistema transductor
adecuado, que permite procesar la señal derivada por la interacción entre el biomaterial y el
analito. La señal obtenida se relaciona con la concentración de analito y debido a la
especificidad de la biomolécula, la detección se puede hacer directamente en muestras
complejas, sin previo tratamiento. Estos dispositivos han experimentado un notable avance
en los últimos años, desarrollándose fundamentalmente biosensores para su utilización en el
campo de la biomedicina, debido a la necesidad de diagnóstico rápido.
En la actualidad, la tecnología de los biosensores ha avanzado a otros campos como el
control medioambiental y las industrias agroalimentarias, ya que son los dispositivos con
más selectividad y por tanto, con más aplicaciones potenciales. Desde hace varios años,
algunos de ellos ya han sido comercializados, por ejemplo, los utilizados para los análisis de
glucosa en sangre, de vital importancia en pacientes diabéticos. El número de publicaciones
científicas, revisiones y patentes relacionadas con biosensores es muy elevado, lo que
refleja el gran interés que despierta este tema en el área científica. Poseen una serie de
características, entre las que destacan su alta sensibilidad y especificidad, bajo costo y
manejo sencillo, tiempo de análisis cortó. Otra ventaja es la de permitir realizar análisis en
tiempo real, pudiendo ser automatizados y miniaturizados.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 25
Debido a la aplicación, en estos últimos años, de tecnologías de miniaturización en la
fabricación de electrodos, los biosensores electroquímicos, han tenido una gran relevancia
en sus aplicaciones industriales, facilitando la producción en grandes cantidades de
biosensores, consiguiendo una reducción en los costos de fabricación, y obteniendo una
gran reproducibilidad. De esta manera, se integran en un área pequeña los dos o tres
electrodos, requeridos habitualmente para la realización de medidas voltamperométricas.
Utilizar biosensores miniaturizados tiene la ventaja de un menor consumo de reactivos, ya
que al disponer de un área de trabajo mucho más pequeña, requiere menor cantidad de
material biológico en la fabricación, y permite trabajar con volúmenes de muestra más
pequeños. Como inconveniente, la instrumentación que se requiere debe ser mucho más
sensible, ya que la señal que se trata es mucho menor.
1.3 Tipos de sensor
En el campo de la Química Analítica, la tendencia es simplificar el protocolo de análisis de
una muestra determinada, reduciendo así los tiempos de análisis. Tradicionalmente se ha
utilizado instrumentación analítica muy sofisticada, tal como cromatógrafos,
espectrofotómetros, entre otros, de un costo elevado y que requiere especialización por
parte del operario. Si bien los sensores químicos se presentan como una clara alternativa, ya
que su sensibilidad y fiabilidad es mucho menor que la ofrecida por la instrumentación
analítica convencional. Un sensor químico es un dispositivo capaz de traducir la información
química de una muestra en una señal analítica útil, que constan de dos componentes
básicos: un sistema de reconocimiento o receptor y un transductor, sobre el que se
encuentra conectado el primero. El receptor reconoce selectivamente la información
química presente en la muestra, y la convierte de forma que pueda ser reconocida por el
transductor. Éste la transforma, a su vez, de una señal primaria a una señal secundaria
procesable fácilmente, generalmente eléctrica u óptica. Existen tres tipos de receptores.
Físicos: cuando no hay reacciones químicas involucradas en la detección, un
ejemplo son los materiales piezoeléctricos utilizados para detectar cambios de masa.
Químicos: la señal proviene de una reacción química.
Biológicos: cuando el material receptor tiene una procedencia biológica. Por
ejemplo, enzimas, anticuerpos, ADN, células, proteínas etc. En este caso, los
sensores químicos son denominados biosensores.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 26
La clasificación de los sensores y biosensores se puede realizar atendiendo a diferentes
criterios, como son el tipo de receptor utilizado, la metodología empleada para inmovilizar
este receptor o el tipo de transductor utilizado, siendo ésta la más aceptada. En la Figura 1
se recogen los distintos tipos de sensores y biosensores según este criterio.
Tabla 1. Clasificación de sensores químicos y biosensores según el transductor utilizado
Tipo de transductores Descripción del sensor
Ópticos Transforman los cambios producidos en una señal óptica por la interacción de
un analito con el receptor.
Electroquímicos La señal transformada es debida a una interacción electroquímica entre el
analito y el electrodo.
Piezoeléctricos Dispositivos que transforman un cambio de masa que se da sobre el electrodo
modificado con materiales con propiedades piezoelectrónicas.
Térmicos Dispositivos capaces de medir cambio de calor sobre la superficie del
electrodo.
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos
Una descripción más amplia de cada uno de los tipos de transductores se describe a
continuación:
Figura 1. Esquema genérico de un biosensor [2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 27
Los biosensores se suelen clasificar dependiendo de la naturaleza del material biológico, y
en función del sistema de transducción utilizado, hoy en día uno de los materiales orgánicos
más utilizados en la fabricación de sensores son los nanotubos de carbono, dadas sus
propiedades físico-químicas que los hacen muy sensibles, a su vez resistentes y buenos
conductores eléctricos, adicional a esto es un material de baja toxicidad, por lo cual es muy
utilizado en el campo de los biomateriales [4]. Los nanotubos de carbono se presentan como
una opción interesante para la fabricación de sensores de pequeño tamaño, portátiles,
rápidos y de bajo consumo. En muchos casos, se aprovecha la circunstancia de que las
propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono dependen fuertemente de su estructura
atómica y electrónica y cualquier modificación de origen físico o químico que se produzca en
ésta, provocará un cambio en dichas propiedades. Midiendo el cambio tendremos un reflejo
de la característica que lo provocó.
En la siguiente tabla se ofrece un resumen de la propiedad de los nanotubos que se
aprovecha para cada tipo de sensor.
Tabla 2. Propiedades de los nanotubos que se aprovechan en la fabricación de sensores
Propiedad Tipo de sensor
Cambio en la resistencia y capacidad al reaccionar químicamente con ciertas sustancias.
Sensores químicos y biológicos.
Cambio en la resistencia provocado por fuerzas de sustancias
cargadas, electrostáticas procedentes del exterior.
Sensores químicos y
biológicos.
Cambio en la resistencia al ser sometidos a fuerzas mecánicas
(presión, curvado, torsión): piezorresistividad. Sensores mecánicos.
Cambio en la frecuencia de vibración al ser sometidos a una
fuerza.
Sensores mecánicos
resonantes.
Aumenta la resistencia con la temperatura. Sensores térmicos.
Producen corriente eléctrica al ser calentados con determinadas
longitudes de onda del espectro infrarrojo: piroelectricidad. Sensores térmicos.
Producen corriente eléctrica al ser iluminados. Sensores
electromagnéticos.
Presentan fotoluminiscencia. Sensores
electromagnéticos.
Absorben luz visible e infrarroja. Sensores
electromagnéticos.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 28
Emiten electrones cuando se estimulan con microondas. Sensores
electromagnéticos.
La corriente de electrones emitida (emisión de campo) depende de
la presión de la cámara.
Sensores de presión por
emisión de campo.
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos
A continuación se presentan los distintos tipos de sensores que pueden incorporarse a los
nanotubos de carbono, clasificados en función del parámetro que detectan:
Sensores químicos y biológicos
Los sensores químicos se usan para detectar la presencia de determinadas sustancias en un
entorno dado. Para ello se usan técnicas muy diversas, desde reacciones químicas con el
analito o sustancia a analizar hasta cambios de propiedades físicas de todo tipo producidas
en el detector del sensor ante la presencia del material que se pretende detectar. Se utilizan
en entornos biológicos y los usados para la detección de contaminantes despiertan gran
interés en la comunidad científica por sus potenciales beneficios para la salud y el
medioambiente.
En muchas ocasiones son desarrollados a partir de nanotubos de carbono basan su
funcionamiento en la propiedad que tienen éstos de cambiar sus propiedades eléctricas, en
concreto, su resistencia y su capacidad al reaccionar químicamente con las sustancias que
se pretende detectar. Pueden existir diferentes mecanismos de reacción, una posibilidad es
utilizar nanotubos con defectos de forma, de tal modo que las moléculas a detectar ocupen
los huecos. Incluso se producen cambios en la capacidad del nanotubo si éste se recubre
con otra sustancia que de alguna manera atrape a las moléculas a detectar, de forma que
éstas se quedan en la superficie del nanotubo pero sin interaccionar directamente con él [5].
Los nanotubos de carbono también pueden detectar la presencia de sustancias que tengan
cierta carga, basándose en que la resistencia de los nanotubos depende del número de
cargas libres en su interior y éste número se puede alterar mediante fuerzas electrostáticas
que proceden del exterior. Su función no es ser el detector sino mejorar las prestaciones de
ciertos materiales que se usan para realizar dicha función. Así, por ejemplo, en la reacción
química que tiene lugar entre el analito y el electrodo del detector en sensores
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 29
electroquímicos pueden hacer de catalizadores o facilitar el intercambio de electrones en una
reacción de oxidación-reducción. Adicional a esto se destacan por ser rápidos y a
temperatura ambiente son mucho más sensibles que otros tipos de sensores usados
actualmente. Debido a su pequeño tamaño y rapidez tendrán un papel muy importante en
redes de seguridad y en control medioambiental.
Sensores mecánicos
Se utilizan para detectar fuerzas de todo tipo y medir así o bien dichas fuerzas, o bien
multitud de parámetros que se asocian a ellas. Se pueden citar como ejemplos los sensores
acústicos, de flujo, de velocidad y de masa. Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados
como sensores mecánicos ya que al ser sometidos a una fuerza se producen pequeños
desplazamientos en su estructura atómica y se alteran sus propiedades eléctricas. Así, al
presionar, retorcer o curvar un nanotubo se producen cambios en su resistencia, o sea, son
piezorresistivos [3,4].
Sensores térmicos
Se utilizan para medir la temperatura o los cambios que se producen en ésta. Los nanotubos
de carbono pueden ser utilizados como sensores térmicos gracias a que su resistencia
cambia con la temperatura. De hecho la resistencia aumenta prácticamente de forma lineal
con la temperatura debido a que el calor crea vibraciones atómicas en el nanotubo y éstas
hacen que se produzcan más colisiones con los electrones, dificultando su movimiento. Otra
propiedad de los nanotubos de carbono en la que se pueden basar los sensores térmicos es
que para determinadas longitudes de onda del espectro infrarrojo presentan piroelectricidad
(producción de electricidad cuando son calentados).
Sensores electromagnéticos
Detectan la presencia de ondas electromagnéticas. Los nanotubos de carbono pueden ser
utilizados como sensores electromagnéticos debido a cuatro propiedades. En primer lugar,
Optoelectrónica, producen corrientes eléctricas al ser iluminados (con luz visible), lo que les
hace aptos para su utilización como sensores ópticos. En segundo lugar Fotónica, la
fotoluminiscencia de los hace que puedan ser utilizados como sensores de ciertas
radiaciones cuyas longitudes de onda desencadenan el fenómeno. En tercer lugar, los
nanotubos de carbono también pueden comportarse como absorbentes de radiación visible
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 30
e infrarroja y esto también puede utilizarse como base para el desarrollo de sensores. Por
último, la emisión de campo inducida por microondas, puede servir para la fabricación de
nuevos sensores para este tipo de radiación electromagnética, además de ser la base de los
amplificadores de microondas.
Sensores de emisión de campo
Son aquellos sensores que aprovechan la capacidad de los nanotubos de carbono de emitir
electrones y el hecho de que la corriente de electrones emitida por los nanotubos de carbono
varíe con la presión de la cámara en la que se produce la emisión puede ser aprovechado
para desarrollar sensores de presión.
Sensores electroquímicos
Durante la pasada década, los sensores basados en transductores electroquímicos fueron
los que más publicaciones científicas generaron. Este hecho está claramente ligado a que
estos dispositivos son más robustos, su fabricación es más simple y económica que el resto
de transductores, y además, poseen un amplio intervalo de linealidad, así como unos
tiempos de respuesta muy cortos. Además, los equipos necesarios para recoger y procesar
la señal, tales como potenciostatos y conductímetros, son relativamente económicos, de fácil
mantenimiento, manejo y miniaturización, y uso es bastante común en la mayoría de
laboratorios de análisis. Los transductores electroquímicos, según la técnica electroquímica
utilizada para obtener la información de la muestra, se clasifican en: conductimétricos,
potenciométricos y amperométricos.
Dentro de este tipo de sensores se encuentran los sensores moleculares electroquímicos,
los cuales usan una molécula e interactúan con un analito para producir un cambio
detectable. Los sensores moleculares combinan varios factores como el reconocimiento
molecular, complementariedad, el efecto de cooperatividad, el efecto quelato, auto
ensamblaje molecular y la selectividad de acuerdo al sensor molecular. Recientemente se
ha añadido el término de química analítica supramolecular para poder describir mejor las
aplicaciones de los sensores moleculares dentro de la química analítica, muchos de los
sensores moleculares electroquímicos, se basan en el cambio de las respuestas
electroquímicas de ensayos moleculares hacia sustancias electroactivas. Estos sensores
transforman el efecto electroquímico de la interacción analito-electrodo en una señal útil [5].
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 31
1.4 Tipo de transductor
Transductor conductimétrico
Los transductores conductimétricos están basados en la medida de la variación de la
conductividad entre dos electrodos inmersos en una solución provocados por el analito. Esta
conductividad es medida al aplicarse un potencial de pequeña amplitud de corriente alterna
para evitar la polarización en la sustancia. La presencia de elementos iónicos genera un
incremento en la conductividad cuya evaluación permite la medición indirecta de ciertas
especies. Esta forma de medición se suele utilizar para caracterizar algunos líquidos y/o
superficies de electrodos modificados, como en este caso.
La conductividad es proporcional a la concentración de iones según la ecuación:
Ecuación 1. Conductividad
Siendo k la conductividad específica (S cm-1), y C la concentración de iones (mol cm-3).
Las medidas de resistividad en corriente continua son las más comunes para el
funcionamiento de estos sensores, aunque para registrar medidas de impedancia se utiliza
corriente alterna.
Los conductores conductimétricos para biosensores han sido desarrollados hace poco más
de tres décadas aproximadamente. Muchas reacciones catalizadas por enzima han sido
estudiadas en soluciones homogéneas usando métodos conductimétricos. Un trabajo inicial
en esta área se realizó con urea y usando como enzima ureasa, estando el sustrato
inicialmente descargado para luego realizarse la hidrolisis y alcanzar especies cargadas [6].
La configuración de estos dispositivos es muy simple, consiste en dos electrodos que
pueden ser de diferentes materiales. También se han desarrollado diferentes biosensores
conductimétricos, mediante la modificación de electrodos con material biológico atrapado en
polímeros conductores [7].
Transductores Amperométricos
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 32
El principio amperométrico consiste en la medición de la corriente que fluye en un electrodo
como resultado de la aplicación de un potencial al mismo, respecto a un electrodo de
referencia. Un tercer electrodo, denominado auxiliar, es necesario en la mayoría de los
casos para completar la celda electroquímica. Mediante esta técnica se obtienen respuestas
de intensidad de corriente que son función lineal de la concentración.
La corriente medida tiene tres fuentes diferentes. La primera es una corriente tipo capacitivo
que fluye a través de la celda y se debe al proceso de carga y descarga de la doble capa
electroquímica. La segunda, es una corriente de tipo farádico la cual se origina por las
reacciones químicas; esta corriente produce un cambio en el estado redox de algunas
especies en la solución o en el mismo material del electrodo. La tercera se debe a la
corriente que puede producirse cuando un electrodo se sumerge en un electrolito
experimentando efectos de adsorción. De estas tres corrientes, la corriente farádica es la
corriente de mayor interés en el análisis amperométrico [3,4].
La corriente farádica es una medida de la velocidad de la reacción electroquímica que se
produce en el electrodo. Esta corriente es directamente proporcional a la concentración de
especies reducidas y oxidadas y es muy apropiada para las aplicaciones analíticas. Por lo
tanto se aprecia que la corriente implicada en los sensores Amperométricos es el resultado
de una reacción electroquímica neta.
Los transductores amperométricos se fundamentan en la proporcionalidad existente entre la
concentración de una determinada especie electro activa y la corriente eléctrica registrada al
oxidarse o reducirse sobre la superficie de un electrodo polarizado. Esta relación intensidad-
concentración se comporta según el siguiente modelo que proviene de la Ley de Fick.
(
)
Ecuación 2. Ley de Fick
Donde A es el área del electrodo de trabajo, D0 y C0 son el coeficiente de difusión y la
concentración del analito, respectivamente, y x representa la distancia de la doble capa. En
el caso de que la solución esté agitada constantemente, se puede considerar que x se
mantiene constante y corresponde con el tamaño de la capa de difusión (δ). Así, la ecuación
anterior puede simplificarse obteniéndose una relación lineal entre la intensidad medida y la
concentración del analito[1,2].
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 33
Ecuación 3. Simplificación Ley de Fick
Transductores Potenciométricos
Estos sensores entregan la información analítica como una señal de potencial eléctrico a
partir de la conversión obtenida en el proceso de reconocimiento. Este potencial eléctrico es
proporcional a la actividad (concentración) de especies generadas o consumidas en la etapa
de reconocimiento y se genera en la interfase solución-transductor. El potencial eléctrico
generalmente es medido bajo condiciones de intensidad de corriente cero. Este tipo de
transducción es muy importante para la aplicación con biosensores debido a su selectividad,
simplicidad y bajo costo [4,5]. La relación entre el potencial eléctrico y la actividad del analito
está expresada por la ecuación de Nernst:
Ecuación 4. Nernst
Donde:
E es la fuerza electromotriz del electrodo selectivo de iones.
E0 es el potencial normal del electrodo de referencia a las condiciones estándar.
ai es la actividad del ión primario a ser estudiado
R es la constante de los gases (8.3144 JK-1 mol-1)
T es la temperatura absoluta
n es el número de carga del ión
F es la constante de Faraday (9.6485*104 Cmol-1)
La actividad indica la capacidad reactiva de los iones en la solución. En términos prácticos
se trabaja más con la concentración del ión principal que con su actividad la cual está
relacionada con la concentración por el coeficiente de actividad, el cual mide la eficiencia con
que una especie influye en un equilibrio. Es importante mencionar que la concentración de la
especie iónica en solución está afectada por la fuerza iónica. Esta propiedad altera la
capacidad reactiva de los iones en la solución debido a las interacciones electrostáticas
(atracción y repulsión) entre los mismos, siendo más pronunciada con el aumento de la
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 34
concentración. En soluciones muy diluidas la fuerza iónica es mínima y no afecta el
comportamiento de los iones en la solución [2].
Transductores Electroquímicos
Los transductores electroquímicos transforman la señal producida por la interacción entre el
sistema de reconocimiento y el analito en una señal eléctrica. El elemento de reconocimiento
biológico y el elemento de transducción deben estar en contacto. Los más utilizados son los
que realizan medidas amperométricas. Con ellos se trabaja a un potencial fijo respecto al
electrodo de referencia, y se mide el flujo de corriente que se genera en la superficie del
electrodo de trabajo, cuando tiene lugar la oxidación o reducción de alguna de las especies
implicadas. La señal obtenida se puede correlacionar con la concentración de sustrato. En
estos electrodos, bien el sustrato o el producto deben ser especies electro activas, y la
velocidad de la reacción enzimática se controla mediante el registro directo de la corriente
producida.
1.5 Naturaleza del material fisiológico empleado en la
fabricación de biosensores
Una de las principales características del material biológico empleado para la fabricación de
biosensores es su alta selectividad, permitiendo diferenciar en algunos casos, incluso
isómeros de una misma molécula. Esta particularidad hace que estos componentes sean de
gran interés en su aplicación como receptores en la fabricación de sensores.
Los biosensores, sobre todo los basados en transductores electroquímicos, son uno de los
campos que más ha avanzado en cuanto a investigación en los últimos años. Existen
diferentes tipos de bioreceptores que se pueden inmovilizarse sobre transductores
electroquímicos:
Anticuerpos
Ácidos nucleícos
Microorganismos
Tejidos orgánicos
Enzimas
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 35
Los enzimas son los elementos más comúnmente utilizados para la fabricación de
biosensores debido a su bajo coste, disponibilidad en el mercado y fácil manipulación. A
continuación se describen los diferentes receptores, haciendo especial énfasis en los
enzimas.
Anticuerpos
Los Anticuerpos son, junto al ADN, los agentes biológicos más selectivos que existen.
Debido a su estructura tridimensional puede enlazarse con una sustancia (antígeno) de una
manera muy específica.
En los últimos diez años, se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar
inmunosensores. El inconveniente de este tipo de material para aplicaciones en la
fabricación de biosensores es que no tiene capacidad catalítica, lo que implica el empleo de
anticuerpos o antígenos marcados, con un isótopo radiactivo, enzimas, partículas
luminiscentes, etc. [9].
En el caso de los inmunosensores basados en transductores amperométricos, el marcaje
más utilizado es mediante enzimas. La corriente recogida por el transductor es proporcional
a la concentración de las especies electroactivas generadas por la reacción enzimática, y por
tanto, proporcional a la cantidad de anticuerpos marcados.
Ácidos nucleícos
La alta especificidad de los pares de bases (adenina/timina y citosina/guanina) distribuidas a
lo largo de la doble hélice que forma la cadena de ADN, hace este material de gran interés
en la fabricación de biosensores.
Como en otros biosensores, las cadenas cortas de ADN (sADN) están inmovilizadas sobre
superficies en forma de electrodos, chips o cristales según el tipo de transductor utilizado. La
hibridación de esta molécula inmovilizada con su par es detectada por el transductor. En el
caso de los anticuerpos, este tipo de material no tiene capacidad catalítica, por tanto, para su
detección necesita ser marcado. En el caso de utilizar transductores amperométricos, éstos
suelen estar modificados con enzimas.
Tejidos orgánicos o celulares
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 36
Los tejidos orgánicos pueden ser utilizados como elemento de reconocimiento prácticamente
sin preparación. Generalmente, tienen una gran variedad de enzimas inmovilizados, y por
tanto, no son tan selectivos como otros materiales biológicos. Por el contrario, están en su
medio natural y es más difícil su degradación, lo que aumenta el tiempo de vida del
biosensor.
Enzimas
Los enzimas son proteínas capaces de catalizar una reacción química. Reaccionan de
manera selectiva con un analito o familia de analitos, acelerando la reacción química, y sin
consumirse. Si la reacción enzimática involucra un solo sustrato, el mecanismo básico de la
catálisis enzimática es el siguiente:
Donde S es el sustrato, E el enzima, ES el complejo enzima-sustrato y P el producto. Para
una concentración de enzima, la velocidad de reacción catalizada enzimáticamente viene
dada por la ecuación de Michaelis-Menten:
[ ]
[ ]
Ecuación 5. Michaelis-Menten
Donde Vmax es la máxima velocidad de reacción y KM es la constante de Michaelis, que
corresponde a la concentración de sustrato para la cual la velocidad es igual a la mitad de la
velocidad máxima. En la
Figura 2 se muestra la dependencia típica de la velocidad de reacción enzimática de la
concentración de sustrato, señalándose los valores de los parámetros KM y Vmax, y las
zonas donde la señal obtenida es útil para la determinación del sustrato y para la
determinación de la actividad enzimática. Desde el punto de vista analítico, a medida que se
tiene una constante de Michaelis más elevada la sensibilidad del método disminuye, pero
aumenta el intervalo de linealidad.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 37
Figura 2. Dependencia de la velocidad de la reacción enzimática frente a la concentración
de sustrato. [1,2]
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
La actividad enzimática, está regulada por el pH del medio, la fuerza iónica, la temperatura y,
requiere en algunos casos, la presencia de un cofactor. El cofactor es un producto químico
no proteico necesario para que la reacción enzimática se lleve a cabo, por ejemplo oxígeno.
Las enzimas están formados por una estructura tridimensional compuesta por péptidos, con
una zona activa que reacciona con el sustrato. Esta zona activa, que confiere especificidad a
la enzima, suele estar situada en el interior del enzima. Existen diferentes tipos de enzimas,
clasificados según el tipo de reacción que llevan a cabo:
Transferasas, catalizan la transferencia de un grupo químico de un sustrato a otro.
Hidrolasas, catalizan reacciones de hidrólisis.
Liasas, catalizan adiciones de grupos a dobles enlaces o formaciones de dobles
enlaces por eliminación de grupos.
Isomerasas, catalizan la interconversión de isómeros.
Ligasas, catalizan la formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones de
condensación acopladas a la hidrólisis de ATP.
Oxidoreductasas, catalizan reacciones de óxido-reducción, es decir, transferencia
de hidrógeno o electrones de un sustrato a otro. Debido a esta capacidad redox, son
el candidato ideal para su utilización como bioreceptores en biosensores
amperométricos.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 38
Las enzimas fueron los primeros bioreceptores utilizados, y siguen siendo hoy en día los
más empleados para la fabricación de biosensores. Una de las grandes ventajas de la
utilización de enzimas, a parte de su alta selectividad, es su menor tiempo de respuesta en
relación con los otros tipos de biosensores. Como inconvenientes, se debe tener en cuenta
que pierden actividad al ser inmovilizadas sobre la superficie del electrodo y tienen un tiempo
de vida relativamente corto.
1.6 Métodos de Inmovilización
La inmovilización del material fisiológico, es un proceso mediante el que se confina el
bioreceptor sobre el transductor electroquímico, para dar lugar a formas insolubles que
retienen su actividad. Es el proceso más importante en la fabricación de un biosensor, ya
que características como el tiempo de vida o la sensibilidad, dependen en gran medida de la
metodología de inmovilización utilizada. Como ventajas del empleo de material biológico
inmovilizado cabe destacar, aumento de la estabilidad del receptor biológico, posible
reutilización del biosensor, disminuyendo el costo del proceso. Por otra parte, los principales
inconvenientes del proceso de inmovilización son: Alteración de la conformación del
material biológico respecto de su estado nativo. En el caso de la utilización de enzimas,
pérdidas de su actividad catalítica. En general, los métodos de inmovilización se suelen
clasificar en dos grandes grupos; retención física y unión química (Figura 3).
Figura 3. Clasificación de los métodos de inmovilización.[2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 39
A continuación se describen, con más detalle, cada uno de los tipos de inmovilización
enzimática, ya que es el componente biológico empleado en este trabajo.
Atrapamiento
Consiste en la retención física del enzima en las cavidades interiores de una matriz sólida
porosa (Figura 4), constituida generalmente por monómeros fotocurables o polímeros del
tipo poliacrilamina, PVC, colágeno, alginato, carraginato o resinas de poliuretano. También
se suelen utilizar hidrogeles, como poly (2-hydroxyetil metacrilato) (p(HEMA)), o polímeros
conductores, co mo poli pirrol, como es el caso.
Es una técnica de gran sencillez desde el punto de vista experimental y no requiere una gran
cantidad de material biológico. Como venta ja adicional, la enzima no sufre ninguna
alteración en su estructura. Uno de los inconvenientes es la gran barrera creada que dificulta
la difusión del analito hasta el cent ro activo de la enzima, aumentando el tiempo de
respuesta del sensor [6][3]. El Atrapamiento requiere un control riguroso de las condiciones
de polimerización, ya que pueden alterarse los grupos reactivos de la proteína, lo que
provocaría pérdidas en la actividad enzimática.
Figura 4. Inmovilización enzimática por encapsulamiento. [1,2]
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
Microencapsulación
En esta técnica, los enzimas están rodeadas de membranas semipermeables que permiten
el paso de moléculas de sustrato y producto, pero no de la enzima (Figura 5). Este método
permite que el material biológico esté en contacto directo con el transductor, manteniendo, a
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 40
su vez, la alta selectividad de las enzimas puesto que no se ven afectadas por los cambios
de pH, temperatura o fuerza iónica en el medio.
Figura 5. Inmovilización enzimática mediante microcapsulación.[1,2]
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
Adsorción en la superficie
En la adsorción, la enzima se une a un soporte sin funcionalizar mediante interacciones
iónicas (Figura 6), fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno. Se suelen utilizar
diferentes sustancias con gran capacidad de adsorber material biológico, como por ejemplo
alúmina, arcillas, grafito y sílica gel. Los principales factores que influyen en la adsorción
son:
El pH del medio: controla el número y la naturaleza de las cargas que presenta la
superficie de la proteína y del sólido.
La fuerza iónica: al aumentar la fuerza iónica se produce la desorción de la
enzima, ya que los iones inorgánicos se unen con más fuerza al soporte que la
proteína.
El diámetro del poro: debe ser aproximadamente dos veces el tamaño del eje
mayor del enzima.
La presencia de iones que actúen como cofactores de la enzima, ya que pueden
incrementar la carga enzimática del derivado.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 41
Es un método de preparación sencilla, bajo costo y que no implica cambios de especificidad
enzimática, pero tiene como inconvenientes que es poco estable desde el punto de vista
mecánico, y que la unión con el soporte es débil.
Figura 6. Inmovilización enzimática por adsorción sobre la superficie
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
Entrecruzamiento (cross-linking)
El método consiste en la utilización de reactivos bifuncionales (dialdehidos, diiminoésteres,
diisocianatos, sales de bisdiazonio, e incluso, diaminas, si están activadas con carbodiimida)
que originan uniones intermoleculares entre moléculas de enzima. Los entrecruzadores más
utilizados son glutaraldehido, hexametildisocianato y 1,5-dinitro-2,4-diflorobenceno (co
Figura 7) [3]. El entrecruzamiento permite eliminar las pérdidas de actividad enzimática
debidas a efectos difusionales, entrecruzando el material biológico con proteínas sin
actividad enzimática y rica en residuos de lisina como, por ejemplo, la seroalbúmina bovina
(BSA). En la bibliografía, esta técnica, es ampliamente utilizada para la estabilización de
enzimas.
Un procedimiento mixto de inmovilización, muy común, consiste en inmovilizar la enzima por
adsorción en una matriz polimérica, consiguiéndose así una elevada carga enzimática, y
posteriormente, modificarlo con entrecruzadores [3].
Esta técnica se ha empleado en algunas investigaciones para la fijación de la enzima
glucosa oxi1dasa y tirosinasa en la superficie del electrodo compósito PVC/TTF-TCNQ/Auco
Figura 7. Inmovilización enzimática mediante entrecruzamiento. [1,2]
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 42
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
Unión covalente
La metodología de la unión covalente entre el transductor y el enzima se basa en la
activación de grupos químicos del soporte para que reaccionen con nucleófilos de las
proteínas. De entre los 20 aminoácidos diferentes que se encuentran en la estructura de las
enzimas, los más empleados para la formación de enlaces covalentes son principalmente la
lisina, la cisteína, la arginina y los ácidos aspártico y glutámico. El resto de aminoácidos,
debido a su carácter hidrófobo, no se encuentran expuestos hacia el exterior de la superficie
proteica, y no pueden intervenir en la unión covalente [3]. Este tipo de inmovilización precisa
del control de parámetros como el pH o la fuerza iónica de la solución, así como disponer de
una superficie del transductor perfectamente limpia. La gran ventaja de este método es que
permite conseguir tiempos de vida muy largos, entre 4 y 14 meses, En la Figura 8 se
muestran los dos tipos de inmovilización mediante unión covalente existentes, en función si
la enzima está o no orientada.
Figura 8. Inmovilización mediante unión covalente a) no orientada b) orientada. [1,2]
Fuente: Tesis doctoral Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 43
1.7 Nanoestructuras de carbono
Una nanoestructura es una estructura con un tamaño intermedio entre las estructuras
moleculares y microscópicas (de tamaño micrométrico). Generalmente, estas estructuras
experimentan efectos cuánticos que no son tan obvios en estructuras de mayor tamaño y
tienen por tanto propiedades físicas especiales.
Para describir nanoestructuras necesitamos diferenciar entre el número de dimensiones en
la nanoescala. Las superficies sin textura tienen en la nanoescala una dimensión, es decir, el
grosor de la superficie de un objeto está entre 0.1 y 100 nm. Los nanotubos tiene dos
dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0.1 y 100 nm; su
longitud puede ser mucho mayor. Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres
dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula tiene entre 0.1 y 100 nm en cada
dimensión espacial. Los términos de nanopartículas y partículas ultra finas (UFP) a menudo
son usados como sinónimos aunque las UFP pueden alcanzar el rango del micrómetro [11].
Nanotubos de carbono
Los nanotubos. Son estructuras cilíndricas con diámetro nanométrico. Aunque pueden ser de
distinto material, los más conocidos son los de silicio pero principalmente, los de carbono ya
que unas de las principales características de este último son su gran conductividad, y sus
propiedades térmicas y mecánicas. Existen diferentes tipos de estructuras para formar un
nanotubo, siendo la estructura, la influencia principal que decida las características finales
como lo son las eléctrica, térmicas o mecánicas del nanotubo.
Debido a la importancia de los nanotubos, aquí se presenta brevemente su historia; en 1991
Sumio Iijima, descubrió los nanotubos que desde ahí han revolucionado la nanociencia.
Desde su descubrimiento hasta la actualidad, las aplicaciones reales y potenciales de los
nanotubos van creciendo de forma impresionante. En su conjunto el material constituido es
un perfecto semiconductor por lo que es posible que los nanotubos de carbono desempeñen
el mismo papel que realizo el silicio en los circuitos electrónicos en su debido momento, pero
ahora a escala molecular, donde los demás semiconductores dejan de funcionar.
Estas características auguran que los nanotubos representan el futuro de los dispositivos en
la electrónica debido a su alta velocidad de funcionamiento y además de otros usos
relacionados que se les pueden dar. De momento, con los nanotubos de carbono ya se han
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 44
fabricado componentes básicos de los ordenadores, siendo el próximo paso, construir
circuitos electrónicos y siendo optimistas en pocos años fabricar ordenadores basados en
nanotecnología [12].
Tipos de nanotubos
Existen nanotubos de silicio o nitruro de boro, pero normalmente el término de nanotubos se
usa para los nanotubos de carbono, que son una forma alotrópica del carbono, su estructura
puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma.
Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original,
el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna.
a. Nanotubos Monocapa: en inglés Single-walled nanotubes (SWNT). Están formados
por una sola capa de grafito la cual está dispuesta en forma cilíndrica. Los
nanotubos monocapa son una de las variedades de tubo más importantes ya que
tienen determinadas propiedades eléctricas que no comparten con el resto de tipos
de nanotubo. Estas propiedades han permitido la creación de interesantes
aplicaciones a nivel de electrónica molecular (Figura 9a).
b. Nanotubos Multicapa: en inglés Multi-walled nanotubes (MWNT). Están formados
por varias capas de carbono, su descripción se torna más compleja y se recurren a
distintos modelos para su explicación (Figura 9-b).
Modelo de la muñeca Rusa: Tubos concéntricos metidos uno dentro de otro.
Modelo del "Pergamino": Una única capa de grafito toma una estructura análoga a
la de pergamino o periódico enrollado.
Bicapa: en inglés Double-walled carbon nanotubes (DWNT). Es un tipo de nanotubos
multicapa muy importante ya que comparte muchas de las propiedades de los
nanotubos monocapa aumentando significativamente su resistencia química
Fulerita: en inglés Fullerite. Son la manifestación sólida de los fullerenos, que en el
caso de los nanotubos da lugar a la clasificación específica en:
Nanotubos Monocapa polimerizados: en inglés Polymerized single-walled
nanotubes (P-SWNT). Tienen una dureza cercana a la del diamante.
Nanotubos Multicapa polimerizados: en inglés Polymerized Multi-walled nanotubes
(P-MWNT), en este trabajo se utilizaron nanotubos multicapa funcionalizados con
NH2.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 45
Figura 9. Tipos de Nanotubos de carbono. a) Nanotubos de carbono de una capa, b)
Nanotubos de carbono de capas múltiples. [10,2]
Fuente: Introducción a los nanomateriales
Propiedades de los nanotubos de Carbono
a. Propiedades eléctricas
Al tener en cuenta la complejidad electrónica de los nanotubos, además de las reglas
cuánticas que rigen la conductividad, la conducción en los nanotubos de carbono se
transforma a un tipo de conducción cuántica, en ocasiones los nanotubos incluso pueden
presentar superconductividad. Normalmente en un dispositivo común si se representa voltaje
frente a intensidad de corriente se obtiene una línea recta, o sea, V=IR, cosa diferente
sucede con los nanotubos de carbono y la conducción cuántica que muestra, que no es
directamente proporcional, sino que ahora su gráfica presenta una línea escalonada ya que
la conductividad de los nanotubos es 3 órdenes de magnitud mayor que la de los materiales
actualmente usados (respecto al cobre que es el material más usado). Su conductividad
depende de relaciones geométricas, o sea, del número de capas, su torsión o diámetro. Otro
aspecto importante a resaltar es que estos valores además de la resistencia del nanotubo no
dependen de su longitud, a diferencia de lo que ocurre con los cables normales en donde su
resistencia es directamente proporcional a su longitud.
b. Propiedades mecánicas
Actualmente es la fibra más resistente que se puede fabricar, esta capacidad se debe a la
estabilidad y robustez de los enlaces entre los átomos de carbono. Ahora bien, al hablar de
deformación este nanomaterial posee grandes ventajas ya que frente a esfuerzos de
deformación muy intensos son capaces de hacerlo enormemente y de mantenerse en un
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 46
régimen elástico. Esta característica se puede mejorar al hacer que varios tubos se unan
como una cuerda, de este modo al romperse un nanotubo, la fractura no se propagaría a los
demás nanotubos ya que son independientes. En general, ante pequeños esfuerzos los
nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes o pueden deformarse
drásticamente y volver posteriormente a su forma original frente a cargas mayores, los
nanotubos son 100 veces más resistentes que el acero y 6 veces más ligeros.
c. Propiedades térmicas
Son enormemente estables térmicamente, tanto para valores en el vacío como para
mediciones en el aire, estas mediciones están referenciadas a valores estándar utilizados
para la medición de materiales de cualquier tipo. Además, las propiedades de los nanotubos
pueden modificarse atrapando metales o inclusive gases en su interior [14].
1.8 Polímeros conductores
Un polímero es una molécula, natural o sintética, que consiste esencialmente en unidades
estructurales idénticas repetidas. Una de las propiedades más atractivas de los polímeros
orgánicos clásicos ha sido la capacidad de actuar como excelentes aislantes eléctricos. Sin
embargo, ha existido un gran interés en la posibilidad de producir polímeros que actúen
como conductores eléctricos. Estos nuevos materiales, a los que se han denominado
polímeros conductores, podrían revolucionar la industria eléctrica y electrónica al combinar
excelentes propiedades mecánicas y químicas, además de su fácil preparación y bajo costo
de fabricación.
Los polímeros conductores, conducen la electricidad debido principalmente a la presencia de
ciertas cantidades de otros productos químicos (dopado), pero también a la presencia de
dobles enlaces conjugados que permiten el paso de un flujo de electrones, son materiales
formados por largas cadenas hidrocarbonadas con dobles enlaces alternos, o conjugados.
Cuando extraemos un electrón de uno de estos dobles enlaces se genera un radical catión,
también llamado polarón, y al seguir oxidando se puede arrancar un segundo electrón para
formar un dicatión, o bipolarón, que es muy estable. Esta carga positiva puede desplazarse
por la cadena pasando de un doble enlace a otro conduciendo de este modo la electricidad.
La extracción de electrones, u oxidación, puede ser continuada formándose más de un
catión por cadena. Las familias más comunes de polímeros conductores son derivados de:
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 47
poliacetileno, polianilina, polipirrol y politiofeno, cuyas estructuras se muestran en la Figura
10.[15][16].
Figura 10. Polímeros conductores más comunes. [2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos [3]
PEDOT
A finales de la década de los años 80, científicos de la compañía Bayer A.G. desarrollaron
un nuevo derivado de politiofeno, el poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), cuya estructura se
muestra en la Figura 11. El PEDOT pronto adquirió una posición destacada entre los
polímeros semiconductores debido a sus excelentes propiedades. Además de una elevada
conductividad, el PEDOT presenta un bajo gap, una excelente estabilidad frente a la
oxidación atmosférica y compatibilidad en medio acuoso. Estas propiedades han permitido
que el PEDOT haya sido ampliamente utilizado como capa antiestática o como material para
el transporte de huecos en dispositivos optoelectrónicos.
Figura 11. Estructura del PEDOT [14,1]
Fuente: Universidad Complutense de Madrid
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 48
Los grupos éter en las posiciones β del anillo de tiofeno desempeñan un papel muy
importante en las propiedades del PEDOT y de su correspondiente monómero, el 3,4-
etilendioxitiofeno (EDOT). Por un lado impiden la formación de uniones no deseadas α−β
durante el proceso de polimerización, como puede ocurrir en el caso de los politiofenos,
mientras que por otro poseen una gran capacidad electrodadora que confiere una elevada
reactividad a las posiciones libres α. Durante los últimos años, estas características han sido
ampliamente utilizadas para la síntesis de nuevos tipos de polímeros conjugados
electrogenerados. Este creciente interés por la molécula de EDOT debido a las numerosas
aplicaciones de los polímeros a los que conducen, ha llevado a que muchos químicos
sintéticos se esfuercen en obtener nuevos derivados, bien mediante su funcionalización o
bien mediante modificaciones de su estructura [17].
1.8.1 Biopolímeros
Durante el desarrollo de este trabajo no solo se trabajaron dos clases de polímeros, además
de ellos se trabajó con un biopolímero que le permitiera al sensor tener un contacto seguro
con tejidos vivos, que al momento de ser implementado no produzca ningún tipo de
alteración.
En las últimas décadas se han desarrollaron biomateriales para cumplir requerimientos
específicos en diferentes aplicaciones clínicas y biomédicas, entre ellos se destacan los
siguientes:
Biocompatibilidad: Integrarse al organismo hospedero sin que haya efectos
citotóxicos, genotóxicos o respuesta inmune. Esta es una propiedad fundamental de
los biomateriales.
Biodegrabilidad: Degradarse (mediante la hidrolisis) a tasas que sean lo más
cercanas posibles a las tasas de formación de nuevo hueso. Esto constituye un reto a
la biocompatibilidad debido a que los productos de la degradación no deben ser
tóxicos.
Osteoinductividad: Promover la fijación de la formación de células especificas del
tejido óseo. Esto se logra al reclutar células madre y osteoprogenitoras para que
posteriormente proliferen y se diferencien hacia la línea osteogénica.
Osteoconductividad: Actuar como soporte estructural en la formación y crecimiento
de nuevo hueso.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 49
Durante el proceso de experimentación se seleccionó un biopolímero que le permitiera al
sensor tener una excelente biocompatibilidad, durante la revisión bibliográfica se destaca en
especial el Quitosano, por su carácter catiónico, biodegradable, de alto peso molecular, de
fácil aplicación y ambientalmente amigable. Adicionalmente es quitosano es mucoashesivo y
las células se adhieren fuertemente al mismo, generalmente con buena proliferación.
También ha demostrado soportar y modular el crecimiento y proliferación de células
vasculares, neuronales, fibroblastos, células epiteliales, además de osteoblastos entre otros
que son precursores de la osteosíntesis.
Quitosano
El quitosano, también llamado chitosán (CS), es un polisacárido lineal compuesto de
cadenas distribuidas aleatoriamente de β- D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina. Esta
sustancia, que tiene gran cantidad de aplicaciones comerciales y biomédicas, se descubrió
en el año 1859.
La industria procesadora de mariscos (camarón, cangrejos, etc.), es altamente generadora
de desechos sólidos debido a que del 75% - 85% del peso vivo de estos son desechos
(conchas, cabezas y patas) que contaminan el medio ambiente y se convierten en una carga
económica para las industrias procesa-doras, porque su eliminación es problemática y
costosa. En la actualidad existen alternativas tecnológicas para el aprovechamiento de estos
desechos y su conversión en productos de utilidad como lo son la quitina y el quitosano. Los
residuos del procesado del marisco contienen en general un 14-35% de quitina asociada con
proteínas (30-40%), lípidos, pigmentos y depósitos de calcio (30-50%), estimándose por
tanto una producción mundial anual de quitina en los residuos de unas 120.000 toneladas.
Actualmente la quitina se obtiene principalmente del exosqueleto de crustáceos
industrialmente procesados, tales como langosta, cangrejo y camarón. El uso creciente de la
quitina, así como de sus derivados, ha sido motivado al hecho de que, al contrario de los
derivados del petróleo, ésta se obtiene de los subproductos de las industrias pesqueras,
fuente naturalmente renovable, no tóxica y no alergénica; además, antimicrobiana y
biodegradable.[18]
La quitina es la sustancia orgánica más abundante en la naturaleza después de la celulosa,
es un biopolímero lineal (Figura 12), altamente insoluble en agua, propiedad está que limita
sus aplicaciones; se disuelve rápidamente en ácidos concentrados, en algunos
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 50
uoroalcoholes y soluciones al 5% de cloruro de litio, lo que la hace poco práctica para su
aplicación [6] y presenta baja reactividad. Otras propiedades relevantes de este biopolímero
son su alto peso molecular y su estructura porosa favoreciendo una elevada absorción de
agua.
Figura 12. Estructura de quitina[18]
Fuente: Quitina y Quitosano polímeros amigables. Una revisión de sus aplicaciones.
El quitosano es la forma N-desacetilada de la quitina (Figura 13), es una modificación de la
quitina y posee mejores propiedades de reactividad y solubilidad [18]. Se obtiene al sustituir
los grupos acetamido de esta por grupos amino, al tratar la quitina con álcalis fuertes. Se ha
descrito como un polímero catiónico lineal, biodegradable, de alto peso molecular, de fácil
aplicación y ambientalmente amigable.
Figura 13. Quitosano[18]
Fuente: Quitina y Quitosano polímeros amigables. Una revisión de sus aplicaciones.
Se disuelve fácilmente en soluciones diluidas de la mayoría de los ácidos orgánicos tales
como: ácido fórmico, acético, cítrico y tartárico, y también en ácidos minerales diluidos a
excepción del ácido sulfúrico. Su grado de desacetilación (DD) varía desde un 60% hasta un
90% y los pesos moleculares (MW), se reportan de 50 hasta 2000 KDa, atribuyéndose esta
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 51
heterogeneidad a la falta de control durante el procesamiento. Las principales aplicaciones
de la quitina y el quitosano han sido en el campo de alimentos y bebidas, en el tratamiento
de aguasy en la agricultura; en los últimos años, se han realizado diversas investigaciones
en las cuales se estudian biomateriales basados en polímeros como el quitosano que
conduzcan a la construcción, regeneración, crecimiento y mantenimiento de células y tejidos.
Estos materiales no deben provocar una respuesta inflamatoria ni mostrar respuesta inmune
o de citotoxicidad, deben ser biocompatible y biodegradable. Además, las propiedades
mecánicas de los biomateriales deben ser las adecuadas para la aplicación deseada y
deben tener una porosidad interconectada controlable para dirigir el crecimiento celular en la
forma deseada y para sostener la vascularización del tejido en crecimiento [18][19]. En este
trabajo se utilizó quitosano, buscando estabilizar la energia superficial, debido a que la
adición del quitosano suaviza la topografia del electrodo, proporcionandole una estructura
menos porosa y puede generar estabilidad en la actividad superficial, la cual esta
relacionada con el delta de energia de Gibbs, esta actividad debe estar en un punto
intermedio, por lo cual al realizar un goteo dosificado de quitosano se espera una mejora en
la estabilidad de los electrodos mas porosos mejorando la biocompatibilidad.
1.8.2 Aplicaciones de los polímeros conductores
• Biosensores
Una de las aplicaciones de los polímeros hoy en día, es en la fabricación de biosensores
amperométricos, Los cuales constituyen un amplio campo de trabajo por su interés científico
y sus múltiples aplicaciones biomédicas y analíticas. Las posibilidades de inmovilización de
los bioreactivos (incluyendo enzimas, células, tejidos y anticuerpos) son muy diversas, lo que
hace que existan un gran número de trabajos científicos que se publican en la actualidad
sobre el tema.[2]
Dentro de las posibilidades de modificar la superficie de los electrodos empleados en la
detección amperométrica, se destacan por sus ventajas la generación electroquímica de
polímeros y el incipiente desarrollo de sensores basados en la tecnología sol-gel.
La formación de un polímero (conductor y no conductor) sobre un electrodo se realiza
fácilmente aplicando un potencial eléctrico adecuado en el electrodo sumergido en una
disolución de monómero. La inmovilización del enzima u otro bioreactivo se produce por su
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 52
entrampamiento dentro de la estructura tridimensional del polímero, que queda restringida
exclusivamente a la superficie sólida conductora del sensor. El dopado al que se someten
los polímeros es bastante sensible al calor, sufriendo así una pérdida de conductividad al
calentarse. Conectándolo a una resistencia, estos polímeros permiten controlar la
temperatura a la que, por ejemplo, un producto farmacéutico llega a alterarse. También
pueden como sensores de radiación si se colocan en una atmósfera de gases que los
convierte en dopantes activos cuando son expuestos a radiación [20] [21].
Sensor analítico
Otra aplicación debida al poder de cambiadores iónicos de los polímeros conductores
podríamos hablar de este tipo de sensores, ya que son capaces de detectar y separar iones
como Hg2+ e incluso Au0 de una gran variedad de disoluciones tanto acuosas como con
disolventes orgánicos. En este caso algunos polímeros utilizados son: polipirrol
funcionalizado con ditiocarbamato, una de sus ventajas es su gran versatilidad en cuanto a
capacidad de trabajo se refiere y su bajo costo de fabricación [2][20].
1.9 Electrodos modificados químicamente
Los electrodos de pasta de carbono y de película de mercurio significan el comienzo de una
nueva era en electroanálisis, y pueden considerarse como precursores de los electrodos de
superficie modificada. Utilizando un electrodo modificado, se intenta ejercer un mayor control
sobre sus características e influir, no sólo en el potencial aplicado, sino también en la
reactividad superficial, pudiendo preseleccionar o anticipar la respuesta del electrodo
modificado hacia especies externas.
Así, el material modificador se elige de tal manera que sea o bien selectivo (e incluso
específico) a un analito en particular, o bien capaz de mediar reacciones redox que son
lentas, o incluso imposibles, sobre el electrodo sin modificar. De esta forma, los procesos
redox que ocurren entre el electrodo y el analito en disolución están fuertemente influidos por
las características del modificador empleado. La gama de especies modificadoras es muy
amplia, variando desde depósitos metálicos o capas de óxidos metálicos, hasta el uso de
materiales orgánicos, enzimas o polímeros [2].
La capa del modificador debe permitir la comunicación electroquímica entre el material del
electrodo y la disolución que contiene el analito, lo cual se asegura normalmente gracias a la
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 53
presencia de un grupo electro activo en dicha capa modificadora o, en algunos casos,
mediante el empleo de polímeros conductores. La unión de estos centros mediadores de
material base del electrodo puede conseguirse de muy diversas formas tanto físicas como
químicas. Los métodos más importantes para la modificación de superficies electródicas
aparecen en la Figura 14. Como ocurre con cualquier otro tipo de sensor, la aplicación con
éxito de los electrodos modificados con fines analíticos depende principalmente de su
capacidad para transferir con la concentración de analito las siguientes propiedades:
estabilidad, reproducibilidad, respuesta bien definida y bien comprendida, posibilidad de
observar el parámetro de interés en un elevado intervalo de concentración y ausencia de
interferencias. Las principales aplicaciones de los electrodos modificados en el área del
Electroanálisis son: (1) preconcentración, (2) electrocatálisis y (3) eliminación de
interferencias.
Figura 14 Clasificación de los electrodos modificados. [2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos.
La pre-concentración empleando electrodos modificados químicamente presenta una cierta
analogía formal con el análisis de trazas mediante la técnica electroquímica de adsorción-
redisolución (stripping). Las especies de interés se acumulan, a partir de una disolución
diluida, sobre la superficie del electrodo y a continuación, se oxidan o reducen aplicando un
barrido de potencial. Sin embargo, la “química” de la preconcentración depende del tipo de
modificador utilizado y de la técnica de inmovilización empleada. Puede deberse
simplemente a un proceso físico de adsorción, o puede producirse por intercambio iónico si
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 54
el modificador es, por ejemplo, una resina como la Amberlita LA2 [22], o por formación de
complejos o compuestos de coordinación estables cuando se emplean como modificadores
sustancias tales como dimetilglioxima, para la determinación de trazas de Ni(II) [23]
Por otro lado, la posibilidad de efectuar la detección amperométrica de un analito de interés
depende de la reacción redox que sufra dicha especie. Sin embargo, con frecuencia, las
cinéticas electródicas hacen que tales procesos ocurran a potenciales mucho más positivos
o negativos que lo predicho por la termodinámica. La modificación de la superficie de una
manera adecuada puede reducir o incluso eliminar esos sobre - potenciales, o desplazar el
potencial redox a un valor al que pueda determinarse la especie de interés sin interferencias.
Además de este desplazamiento en el potencial formal operacional, a menudo, la reacción
redox se produce a una velocidad mayor que la obtenida sobre el electrodo sin modificar.
La naturaleza del soporte al cual está enlazado el centro catalítico puede variar desde
matrices poliméricas hasta metales, grafito o pasta de carbono. En cuanto a los mediadores
redox, existe una gran variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos utilizados con este
fin. A este respecto, cabe destacar la revisión realizada por Wring y Hart [24] sobre la
determinación de compuestos de importancia biológica, utilizando electrodos de carbono
modificados con especies mediadoras orgánicas e inorgánicas (compuestos
organometálicos), que pueden utilizarse como electrocatalizadores y como sensores
amperométricos.
Por último, muchas veces se desea evitar el contacto entre el electrodo y determinadas
especies que pueden encontrarse en la disolución de la muestra, bien porque se adsorban o
bien porque sean electroactivas (interferentes) pero, a la vez, permitir el transporte de las
especies deseadas hasta la superficie del electrodo. Con este propósito, se han empleado
diversos tipos de películas poliméricas que eliminan dichas interferencias bien por su tamaño
molecular o por efectos de exclusión de carga. Otros ejemplos de aplicaciones de este tipo
se encuentran recogidas en la revisión de Wang sobre el empleo de electrodos modificados
como sensores electroquímicos [25].
Estas tres formas de utilizar analíticamente los electrodos modificados, preconcentración,
electrocatálisis y eliminación de interferencias , no son áreas aisladas sino que a menudo es
posible aplicar, mediante modificación apropiada, varias de ellas simultáneamente, es decir,
puede diseñarse por ejemplo, un electrodo que combine preconcentración con eliminación
de interferencias, o con la electrocatálisis.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 55
Existen en la bibliografía diversas revisiones generales acerca de electrodos modificados
químicamente [26][27] y Baldwin y col. [28] sobre la aplicación de los electrodos modificados
como detectores en cromatografía líquida y/o inyección en flujo. Otras revisiones más
actuales son la de [29], sobre detectores electroquímicos que incorporan carbón como
sustrato principal, y la de [30], sobre los electrodos modificados con polímeros y los
compósitos con polímeros/nanotubos de carbono [12].
1.10 Recubrimientos poliméricos
Durante la última década se han producido considerables avances en el desarrollo de
materiales poliméricos que pueden ser utilizados para la obtención de sensores químicos y
bioquímicos. Entre éstos los electrodos modificados con películas de polímeros.
Se ha demostrado que el empleo de recubrimientos poliméricos para producir superficies
modificadas conlleva varias ventajas importantes desde el punto de vista del análisis.
Quizás, la más significativa sea que estos recubrimientos, en forma de multicapas,
proporcionan una zona de reacción tridimensional en la superficie del electrodo, que
ocasiona un aumento en el flujo de las reacciones que ocurren en dicha superficie, lo que a
su vez produce un aumento de la sensibilidad.
Aunque los materiales poliméricos han sido depositados sobre los sustratos de muy diversas
formas (enlace covalente, adsorción, mezcla física, etc.), parece ser que la
electropolimerización es la que tiene más ventajas, constituyendo una ruta de síntesis
polimérica simple, limpia y eficiente. Utilizando métodos electroquímicos se pueden controlar
cuidadosamente la velocidad y la extensión del proceso de electropolimerización mediante la
aplicación de las condiciones electroquímicas adecuadas. Además, las propiedades físicas y
químicas del polímero resultante son también controladas por dichas condiciones
electroquímicas durante el proceso de síntesis [20].
En comparación con los electrodos modificados químicamente mediante la formación de
monocapas, los electrodos modificados con películas poliméricas ofrecen una mayor
estabilidad física y química, una mayor densidad de centros activos (10-10-10-6 mol/cm2
corresponden a 1-105 monocapas), y una respuesta electroquímica muy sensible. Estas
ventajas están asociadas con la estructura, composición y propiedades de los polímeros
empleados. Entre las cualidades deseables en un polímero para poder ser aplicado desde el
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 56
punto de vista analítico deben mencionarse la facilidad de preparación, la formación de
uniones estables con el electrodo, un largo tiempo de vida del mismo y que proporcionen un
adecuado microentorno espacial, electroestático y químico.
La mayoría de las publicaciones están dedicadas a un grupo específico de materiales
poliméricos. Aunque se han utilizado diversos tipos de polímeros para la modificación de
electrodos, se pueden destacar tres grupos fundamentalmente: polímeros redox, ionómeros
cargados y polímeros conductores electrónicamente.
Los polímeros redox contienen grupos redox activos unidos covalentemente a un esqueleto
polimérico electroquímicamente inactivo. Un ejemplo de este tipo de polímeros es el
poli(vinilferroceno). Estos materiales exhiben el fenómeno de conducción redox, es decir, la
transferencia electrónica ocurre a través de procesos de auto intercambio secuencial (salto
de electrones) entre grupos redox vecinos unidos al esqueleto polimérico. Una característica
típica de la conducción redox es que la conductividad es máxima al potencial normal del
grupo redox inmovilizado, lo que corresponde a la situación en la cual la concentración de
centros oxidados y reducidos en la película es la misma.
El segundo tipo de materiales poliméricos mencionado, los ionómeros cargados, están
formados por grupos redox activos unidos electrostáticamente (tales como iones complejos
metálicos multivalentes) dispersos en una matriz ionomérica a través de un proceso de
intercambio iónico. En este caso, la movilidad de la carga puede producirse, bien por difusión
física de los grupos electrostáticamente atrapados, o bien por salto electrónico entre grupos
vecinos, como en el caso de los polímeros redox.
Estos materiales son bastante atractivos desde el punto de vista de su fabricación, debido a
que pueden prepararse rápidamente películas uniformes en las que puede variarse, de
manera reproducible, la extensión de la carga. Además, la variedad de especies que pueden
incorporarse en matrices poliméricas de intercambio iónico es muy amplia. Presentan una
desventaja, y es que en estos materiales la estabilidad del reparto de los iones depende, en
gran medida, de la concentración del electrolito soporte utilizado en la subsiguiente
aplicación del electrodo. Por último, el tercer tipo de material polimérico electroactivo, los
polímeros conductores electrónicamente, exhiben propiedades que son fundamentalmente
distintas de las de los polímeros redox y los ionómeros cargados. Una propiedad
característica es que bajo las condiciones apropiadas, la conductividad es bastante elevada
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 57
(1-100 S/cm), debido, principalmente, al hecho de que el esqueleto polimérico es altamente
conjugado dando lugar a una deslocalización de la carga considerable [31].
En estos materiales, el transporte de carga es debido a defectos deslocalizados en la
cadena, como pueden ser los polarones o bipolarobes, que se generan por oxidación del
esqueleto del polímero. Este transporte de carga a lo largo de la cadena polimérica es muy
rápido. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la conductividad es, en gran medida,
función de la morfología del polímero [32].
Estos polímeros son semiconductores con una banda de valencia llena y una de conducción
vacía, separadas por una barrera de energía. Mediante el “dopado” del polímero se pueden
crear nuevas bandas de energía intermedias que hacen posible la movilidad de los
electrones a esas nuevas bandas, aumentando la conductividad del material [31].
Los polímeros conductores constituyen una nueva generación de materiales funcionales con
numerosas aplicaciones ligadas a las propiedades que presentan (Figura 15). Una de las
grandes ventajas que ofrecen es la posibilidad de modular dichas propiedades mediante el
nivel de dopado. Por otra parte, combinan las propiedades electrónicas y ópticas de los
metales y los semiconductores con las interesantes propiedades mecánicas y las ventajas
de procesado de los polímeros. Desde el punto de vista electroanalítico, uno de los
compuestos más ampliamente utilizados para la obtención de electrodos modificados con
polímeros conductores, es el pirrol (Figura 16) debido, principalmente, a la gran cantidad de
contra iones que pueden incorporarse durante el proceso de polimerización, lo cual, a su
vez, se debe a que el polímero de pirrol se sintetiza fácilmente a partir de una amplia gama
de medios disolventes, incluyendo el agua [11].
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 58
Figura 15. Posibles aplicaciones para los polímeros conductores, en función de sus
propiedades. [2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos
Figura 16 Serie de polímeros mostrando la estructura unitaria. [2,1]
Fuente: Tesis doctoral Electrodos de pvc/ttf-tcnq modificados. Aplicación como sensores y
biosensores electroquímicos
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 59
1.11 Sensores electroquímicos impresos
El sensor electroquímico impreso molecularmente (MIEQ), es aquel que combina la
impresión molecular y el sensor electroquímico, tiene alta selectividad y sensibilidad usando
moléculas impresas usando polímeros conductores con moldes moleculares como
elementos de reconocimiento específico para la molécula a censar, estos sensores son
denominados (MIPs). Hasta ahora los MIPs se han utilizado con éxito para detectar tipos
diferentes de moléculas, entre ellas las farmacéuticas, los metabolitos, los residuos de
plaguicidas, etcétera. En esta investigación se enfoca hacia las proteínas, las cuales son
compuestos macromoleculares de muchas secuencias de aminoácidos. El rápido
crecimiento de la proteómica (estudio a gran escala de las proteínas, en particular su
estructura y función) requiere usos de sistemas de terminación de proteínas simples así
como su cuantificación, entre ellos las BSA, lisozima, la mioglobina que son importantes en
el diagnóstico clínico.
La determinación de la concentración de estas proteínas en fluidos corporales ayuda a
diagnosticar enfermedades en sus etapas iniciales.Sin embargo, sigue siendo un reto para la
impresión de proteínas. Debido a que la complejidad de la estructura de la proteína, como el
tamaño molecular grande y la conformación flexible, disminuye la sensibilidad de detección.
Entre las técnicas utilizadas para la impresión de proteínas, existen tres estrategias
principales, la primera implica la impresión "bulk", la cual consiste en atrapar una
macromolécula de proteína completa en una película de MIP. La segunda implica la
impresión de proteínas sobre una superficie del sustrato sólido. El tercero propone la
impresión sólo de fragmentos peptídicos cortos, denominados "epítopos" de moléculas de
proteínas grandes. Estas estrategias conducen con éxito a la fabricación de sistemas MIPs
con una alta unión y eficiencia para la separación y detección de proteínas. Para este último,
existen diferentes transducciones, incluyendo la electroquímica, óptica y piezoeléctrica, las
cuales se combinaron para reconocimientos utilizando estos MIPs. La impresión superficial
es actualmente el método más usado para resolver el problema de la limitación de la difusión
causada por el gran tamaño de los polímeros han sido reportados, especialmente una serie
de superficies de polímeros impresos preparados con electropolimerización. Con los
polímeros impresos en superficie como elemento de reconocimiento, se han fabricado varios
sensores con buena sensibilidad y selectividad para la detección de proteínas.
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 60
Figura 17. Determinación electroquímica indirecta de un analito en los electrodos
modificados con película de MIP usando el "efecto de gating" y las correspondientes
respuestas de potencial de corriente de DPV.
Fuente: Molecularly imprinted polymers for separating and sensing of
macromolecular compounds and microorganisms [32]
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 61
La transducción electroquímica se aplica ampliamente para el diseño de quimio sensor
debido a su alta detectabilidad [33].Asombrosamente, Sólo algunos de los informes
describen la oxidación directa o la reducción de analitos en los electrodos modificados por
MIP para la determinación selectiva de proteínas [34]. En cambio, un método indirecto fue
más frecuente utilizado (Figura 17). En este método, la oxidación de Fe [(CN)6]3-/4- sonda
redox en el electrodo revestido de película MIP se utilizó para moléculas del analito BSA en
el reconocimiento de las cavidades moleculares MIP [35], Aparentemente, el llenado de
estas cavidades con las moléculas del analito, disminuye la corriente de oxidación de la
sonda redox. Esto se llama "Efecto de gating" el cual fue propuesto por Piletsky, el cual
realizó una analogía entre una puerta y una llave, donde el molde es la llave y el sitio en el
MIP de afinidad corresponde al hueco donde entra la llave, para este caso el molde es la
proteína (BSA) y el hueco es la vacancia que se forma al extraer la BSA con el baño de
ácido sulfúrico. Por este método se han obteniendo buenos resultados en quimio sensores
amperométricos e impedimétricos basados en MIP para diferentes proteínas[32][36][37].
Para la fabricación de la superficie que se deposita en el sensor electroquímico, es
importante construir una interfaz eficiente para los blancos y los electrodos, la cual influye en
la transferencia electrónica de la señal. En primer lugar, la interfaz podría retener la actividad
biológica de las biomoléculas impresas, especialmente la proteína. En segundo lugar, debe
tener alta firmeza y cantidad de biomolécula impresa. Además, este sensor debe tener una
excelente conductividad electrónica. En investigaciones realizadas un candidato ideal en la
construcción de la interfaz de detección para la preparación de los MIEQ es el grafeno (GR)
y MWCNTs debido a sus propiedades físico-químicas únicas, tales como la rápida
transferencia de electrones, gran área superficial, alta estabilidad, excelente capacidad de
adsorción. Hasta ahora, se han reportado varios compuestos de grafeno para la preparación
de MIEQ, incluyendo redes de oro IL-PPNPs / graphene, graphene-AuNPs/Q-PtNPs, AgNPs
/ graphene-MWCNTs composites.
Electrolitos como líquidos iónicos (ILs), sales estables conservadas en el estado líquido, han
recibido gran interés en la preparación de sensores electroquímicos en función de su alta
conductividad iónica, amplias ventanas electroquímicas y buena estabilidad química. Son
adecuados para uso como electrolito de soporte o como modificador en el sensor
electroquímico basado en nanoestructuras como los MWCNTs. Se ha informado de que el
compuesto X*/ MWCNTs-NH2 tienen una capacidad catalítica electroquímica mejorada para
la detección electroquímica. Muchos tipos de ILs pueden interactuar con la proteína, lo que
Capítulo 1. Fundamentos teóricos 62
puede facilitar la transferencia de proteínas en la fase líquida. Por lo tanto, los ILs pueden
usarse para inmovilizar más proteína en el electrodo en la preparación de MIEQ para
aumentar la cantidad impresa.
Con el fin de mejorar la biocompatibilidad de esta interfaz el quitosano (Q) ha sido
ampliamente utilizado como una matriz de inmovilización. El Q es un amino polisacárido que
contiene una gran cantidad de OH y NH que pueden inmovilizar moléculas de proteínas para
el reconocimiento y la separación de proteínas por el enlace hidrógeno, interacción entre el
COOH de la proteína y el OH o NH2 del Q. Este también se utiliza para sintetizar nano
compuestos utilizados para el diseño de sensores electroquímicos. Sin embargo, no hay un
informe detallado sobre (MIPs/Q/MWCNTs/EG) modificados molecularmente para la
detección electroquímica de proteínas.
En este trabajo, se prepararon electrodos modificados molecularmente con impresión de
(MIPs / Q/MWCNTs /EG) utilizando albúmina de suero bovino (BSA) como molécula molde
y con pirrol (Py) y EDOT como polímeros conductores, los cuales se electropolimerizaron en
la superficie del electrodo de EG como material sustrato. Luego se realizó la extracción de la
BSA con H2SO4 para generar el molde y las vacancias de reconocimiento de la BSA, lo cual
genera una desnaturalización de la proteína, la desnaturalización no causa daño en su
estructura primaria, por lo que la secuencia de sus aminoácidos (AA) no son afectados y
permite generar vacancias con mayor afinidad sobre la superficie del electrodo modificado
en el momento de censar el analito.
Los resultados de los MIPs/Q/MWCNTs/X*/EG fueron investigados por métodos
electroquímicos, espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE) y voltametría de pulso
diferencial (DPV) así como su caracterización morfológica y estructural mediante
espectroscopia Raman confocal , microscopia electrónica de barrido MEB y microscopia de
fuerza atómica (AFM). Los MIPs/Q/ MWCNTs/X*/EG fabricados mostraron alta sensibilidad y
estabilidad, lo que indica la aplicación potencial en la biomedicina [31].
X* (Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy)
Capítulo 2. Métodos 63
2 Capítulo 2. Métodos
Con las técnicas electroquímicas se introduce una señal eléctrica en el sistema, y se obtiene
información del mismo analizando la respuesta eléctrica que genera a dicha señal. Mediante
un potenciostato, y gracias a las diversas técnicas disponibles, se pueden aplicar los
métodos más interesantes para cada sistema, y se pueden realizar los estudios necesarios
para la caracterización del mismo. En esta propuesta de tesis se propone principalmente la
técnica de voltamaperometria cíclica, que se comentan a continuación.
2.1 Técnicas electroquímicas
Voltamperometría
La voltamperometría o voltametría engloba un amplio grupo de técnicas electroquímicas que
proporcionan información sobre el analito a partir de la medida de la corriente en función del
potencial aplicado. Estas técnicas se pueden emplear por lo tanto para el estudio de la
composición de una solución, mediante las relaciones corriente-potencial obtenidas de una
celda electroquímica, y con la respuesta corriente-tiempo a potencial controlado de un
electrodo. La señal de excitación aplicada sobre la celda electroquímica es por lo tanto un
potencial variable. Esta señal de excitación origina una respuesta en forma de corriente.[10]
La voltamperometría se encuentra entre las técnicas analíticas más sensibles disponibles, se
emplea de forma rutinaria para determinar sustancias electro activas a niveles de
concentración por debajo incluso de partes por millón. Otra característica que convierte las
voltamperometrías en técnicas de gran valor analítico es que son muy rápidas, ya que los
tiempos de análisis son de apenas unos segundos.
Capítulo 2. Métodos. 64
Los resultados expresados a través de la intensidad de la corriente obtenida en función del
potencial aplicado, representado como curvas corriente-potencial, nos proporcionan la
información acerca de la reacción que tiene lugar en el electrodo.
El alejamiento del potencial de electrodo de su valor de equilibrio (reversible o nersntiano)
hasta observar un paso de corriente se denomina polarización [10].
Un sistema voltamétrico está constituido por una celda que consta de tres electrodos
sumergidos en la disolución que contiene el analito y además un exceso de un electrolito no
reactivo que recibe el nombre de electrolito soporte [6,7].
El primer electrodo es el electrodo de trabajo que es el electrodo donde tiene lugar la
reacción analítica y cuyo potencial se le puede mantener en un valor fijo controlado, o bien
se le hace variar linealmente con el tiempo. Resulta interesante que este electrodo sea de
dimensiones pequeñas para aumentar el efecto de la polarización.
El segundo electrodo es el electrodo de referencia que se emplea para medir el potencial del
electrodo de trabajo y cuyo potencial permanece constante a lo largo del experimento.
El tercer y último electrodo es el contraelectrodo o electrodo auxiliar cuya función consiste
únicamente en hacer pasar la corriente que procede de la fuente de señal al electrodo de
trabajo a través de la disolución. La fuente de señal es una fuente de alimentación de
corriente continua variable [10].
Clasificación de técnicas voltamétricas
Los distintos tipos de voltametría más comunes que nos podemos encontrar son los
siguientes:
Voltametría de barrido lineal
Voltametría de barrido en escalón
Voltametría de salto potencial
Voltametría cíclica
Capítulo 2. Métodos. 65
Figura 18. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría de barrido lineal. [7,2]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
En el caso mostrado por la Figura 18 el potencial aumenta con una velocidad de barrido
constante, que viene dada por la pendiente de la recta, desde un potencial inicial V1 hasta
un potencial final V2.
Figura 19. Ejemplo de pico de intensidad de corriente obtenido en una voltametría de barrido
lineal. [7,2]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
Tal y como se aprecia en la Figura 19 inicialmente la corriente es nula y a medida que el
voltaje alcanza valores más reactivos la intensidad de la corriente comienza a subir hasta
que alcanza un pico a un determinado valor del voltaje. Una vez sobrepasado dicho valor de
voltaje para el cual se obtiene el pico de intensidad, la corriente comienza a disminuir. El
valor del pico de intensidad marca el potencial de reacción máximo, es decir, marca el valor
para el cual la superficie del electrodo se ha oxidado o reducido en su totalidad y por lo tanto
ya no existe más flujo de electrones [10].
Capítulo 2. Métodos. 66
Voltametría de barrido en escalón
En la voltametría de barrido en escalón o voltametría diferencial de impulsos, el potencial
base no permanece constante sino que sufre modificaciones en forma de impulsos. La
amplitud de dichos impulsos se mantiene constante respecto al potencial base (Figura 20).
Figura 20. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría diferencial de impulsos. [7,2]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
Voltametría de salto potencial
La voltametría de salto potencial consiste en la aplicación de un potencial el cual se
mantiene constante a lo largo del tiempo (Figura 21).
Figura 21. Evolución del voltaje frente al tiempo en una voltametría de salto potencial. [7,2]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
Capítulo 2. Métodos. 67
Voltametría cíclica
La voltametría cíclica consiste en variar de forma cíclica el potencial de un electrodo
estacionario inmerso en una solución en reposo, midiendo la corriente resultante. Es decir,
se realiza un barrido de potencial entre dos potenciales a una velocidad de barrido
constante, el cual una vez finalizado se invierte retornando al potencial inicial [10].
La señal de excitación es un barrido de potencial lineal que da lugar a una onda de forma
triangular.
Figura 22. Evolución del voltaje frente a tiempo en una voltametría cíclica. [10]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
Tal y como se aprecia en la Figura 22 se inicia desde un potencial de partida y se realiza un
barrido creciente de potencial, con una velocidad de barrido constante, hasta un potencial
V2, que se conoce como potencial de corte anódico. Una vez llegado a ese potencial se
invierte el barrido de tal forma que se hace un barrido decreciente de potencial desde el
potencial V2 hasta el potencial V1, denominado potencial de corte catódico. Finalmente se
vuelve a hacer un barrido creciente hasta alcanzar el potencial de partida.
Las velocidades de barrido simétricas triangulares pueden variar desde unos cuantos
milivolts por segundo hasta cientos de volts por segundo. En el presente proyecto las
velocidades de barrido con las que se trabaja se encuentran entre los 25 y los 200 mV/s.
En la voltametría cíclica se pueden encadenar varios ciclos como los mencionados
anteriormente. Se dice que un proceso redox es reversible si un sistema redox se mantiene
en equilibrio al ser sometido a un barrido de potencial, es decir, los valores de la
Capítulo 2. Métodos. 68
concentración en las superficies tanto de oxidación como de reducción cumplen la ecuación
de Nernst.
La reversibilidad de un proceso se debe a que la transferencia de electrones es más rápida
que el resto de procesos que tienen lugar, como por ejemplo la difusión, la separación de los
potenciales de pico deben de cumplir con la siguiente relación [10]:
| |
Ecuación 6. Nernst
Donde: Epa = potencial de pico anódico.
Epc = potencial de pico anódico.
Según esta expresión se obtiene que a 25ºC la separación entre los picos ha de ser de
aproximadamente 60 mV por cada electrón intercambiado. Cuanto mayor sea esta
separación entre los picos catódico y anódico, más irreversible será el proceso. En todo
caso, sea esta mayor o menor, existirá siempre una histéresis asociada al sobre potencial de
polarización que surge de una combinación de tasas de difusión de analito y la barrera de
activación intrínseca de la transferencia de electrones desde un electrodo al analito y cuya
descripción viene dada por la expresión anterior.
Además de cumplir la relación anterior, en un proceso reversible las corrientes de los picos
anódico y catódico tienen la misma magnitud. Mientras que en una reacción irreversible los
picos están desplazados, más separados entre sí teniendo las corrientes de los picos
distintas magnitudes. De tal forma que en el límite de irreversibilidad el pico asociado al
proceso del barrido inverso no se observa.
El potencial formal de reducción para un proceso reversible viene dado por la relación:
Ecuación 7. Potencial para un proceso reversible
Las desviaciones del comportamiento reversible se pueden deber a varias causas:
Caídas óhmicas y efectos capacitivos en la celda electroquímica.
Capítulo 2. Métodos. 69
Cinética “lenta” en la transferencia electrónica a través de la interfase
electrodo/electrolito.
Presencia de reacciones químicas acopladas que preceden o siguen al proceso de
transferencia electrónica.
Presencia de reacciones químicas acopladas que preceden o siguen al proceso de
transferencia electrónica.
La corriente de pico, Ip, se describe mediante la ecuación de Randles-Sevcik:
Ecuación 8. Randles-Sevcik
Donde “n” es el número de moles de electrones transferidos en la reacción, “A” es el área del
electrodo, “C” es la concentración de analito (en moles/cm3), “D” es el coeficiente de difusión,
y “v” es la velocidad de barrido del potencial aplicado.
A medida que se incrementa el voltaje, el compuesto que está reducido empieza a recibir
electrones, provocando que la especie que reacciona se consuma en la superficie del
electrodo oxidándose, como si de un barrido lineal se tratase, hasta llegar al valor en el que
la dirección del barrido cambia, haciendo que la superficie oxidada vuelva a ser reducida,
hasta llegar al punto inicial.
En este proceso se obtiene una gráfica de intensidad de corriente frente al potencial aplicado
que presenta una forma similar a la que aparece en la Figura 23.
Figura 23. Ejemplo de voltamperograma cíclica. [7,2]
Fuente: Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-blodgett.
Capítulo 2. Métodos. 70
Los parámetros de importancia que se pueden observar en un voltamperograma cíclica son:
las magnitudes de la corriente anódica en los picos anódicos (picos I y II) y de la corriente
catódica en los picos catódicos (picos cuasi-simétricos a los picos I y II), los potenciales de
los picos catódicos, los potenciales de los picos anódicos y los potenciales de semi-pico que
son los potenciales para los cales la corriente es la mitad de la corriente del pico
correspondiente [10].
En la Figura 23 se puede observar como en el barrido de potencial creciente se obtienen
picos de intensidad anódicos que corresponden a los procesos de oxidación. Una vez que se
alcanza el potencial final V2 (1,2 en el gráfico) se realiza un barrido inverso hasta V1 (-0,2 en
el gráfico) en el cual se obtienen los picos de intensidad catódicos correspondientes a los
procesos de reducción.
La especie que reacciona parte de un estado reducido y el potencial de partida es menor
que el potencial de oxidación con lo cual al principio no hay corriente anódica asociada a la
conversión del estado reducido al oxidado. A medida que se incrementa el potencial la
intensidad de dicha corriente anódica sube hasta alcanzar un pico anódico, un máximo. Este
máximo se produce una vez que se ha oxidado la totalidad de la especie reactante sobre la
superficie del electrodo. Una vez superado dicho potencial la corriente disminuye, ya que se
ha consumido toda la especie que reacciona.
En función de las sustancias presentes en la celda electroquímica pueden tener lugar uno o
varios procesos de redox que dan lugar a uno o varios picos. En el barrido inverso la especie
o especies que se encentran oxidadas son reducidas obteniendo picos catódicos, de
reducción, simétricos a los obtenidos en el barrido de potenciales creciente, pero con un
desplazamiento de potenciales respecto a los picos anódicos.
La intensidad de la corriente de los picos es proporcional a la cantidad de especie electro
activa presente en la disolución de la celda electroquímica. Por lo tanto, la voltametría es una
técnica que puede ser usada para realizar análisis cuantitativos y cualitativos. Ya que en
función de la situación de los picos podremos distinguir entre distintas especies electro
activas y en función de la magnitud de dichos picos podremos determinar si hay una mayor o
menor cantidad de dicha especie [10].
En la Figura 24 se observa el potenciostato empleado durante este trabajo de investigación.
Capítulo 2. Métodos. 71
Figura 24. Potensiostat/Galnostat/ZRA GAMRY instruments 1000E- Laboratorio de
Biomateriales Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Fuente: Elaboración propia del autor
2.2 Técnicas de análisis morfológico
Microscopia electrónica de barrido (MEB)
El microscopio electrónico de barrido, es un Instrumento que permite la observación y
caracterización superficial de materiales inorgánicos y orgánicos, entregando información
morfológica del material analizado.
Mediante este instrumento, se producen distintos tipos de señal que se generan desde la
muestra y se utilizan para examinar muchas de sus características. igualmente, se pueden
realizar estudios de los aspectos morfológicos de zonas microscópicas de los distintos
materiales con los que trabajan, además del procesamiento y análisis de las imágenes
obtenidas[38].
El microscopio electrónico de barrido está equipado con diversos detectores, entre los que
se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para obtener imágenes de alta
Capítulo 2. Métodos. 72
resolución SEI (Secundary Electron Image), un detector de electrones retrodispersados que
permite la obtención de imágenes de composición y topografía de la superficie BEI
(Backscattered Electron Image), y un detector de energía dispersiva EDS ( Energy
Dispersive Spectrometer) permite colectar los Rayos X generados por la muestra y realizar
diversos análisis e imágenes de distribución de elementos en superficies pulidas.
La caracterización estructural de los sensores se realizó por microscopía electrónica de
barrido (MEB) Figura 25, se llevaron a cabo utilizando un microscopio EDS X- ACT
OXFORD (que normalmente precisa del recubrimiento de las muestras por sputtering con
una capa de Au de 8‐12 nm de espesor), debido a que los sensores están
electropolimerizados con los nanotubos de carbono estas muestras son de por si son
conductoras, por lo cual no fue necesario utilizar un recubrimiento adicional para obtener
imágenes de alta resolución.
Figura 25. MEB – EDS X-ACT OXFORD – Laboratorio de Biomateriales Universidad
Nacional de Colombia – Sede Medellín
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 2. Métodos. 73
Microscopio de fuerza atómica (MFA)
La microscopía de fuerza atómica (MFA) es un método que permite medir la topografía de
una superficie a escala micrométrica a manométrica. Esta técnica también se ha ampliado
para permitir la medición de muchas otras propiedades de la superficie.
El microscopio de fuerza atómica (MFA) sondea la superficie de una muestra con una punta
afilada de un par de micrones de largo y menos de 100 Å de diámetro. La punta está situada
en el extremo libre de un cantiléver o micro viga que es aproximadamente de 100 a 200μm
de largo. Las fuerzas entre la punta y la superficie de la muestra causan que el cantiléver se
doble o deflecte. Un detector mide la deflexión del cantiléver y la forma como la punta
escanea la superficie de la muestra. Las medidas de deflexión del cantiléver permiten a un
computador generar un mapa de la topografía de la superficie.
El microscopio de MFA, puede realizar dos tipos de medidas: imagen y fuerza. En la
modalidad de imagen, la superficie es barrida en el plano de la superficie por la punta
(Figura 26).
Durante el barrido la fuerza interatómica entre los átomos de la punta y los átomos en la
superficie de la muestra, provoca una flexión del listón. Esta flexión es registrada por un
sensor adecuado (normalmente balanza óptica) y la señal obtenida se introduce en un
circuito o lazo de realimentación. La fuerza interatómica se puede detectar cuando la punta
está muy próxima a la superficie de la muestra [39].
En medidas de fuerza la punta se hace oscilar verticalmente mientras se registra la flexión
del listón. Las medidas de fuerza son útiles en estudios de fuerzas de adhesión y permiten
estudiar a nivel de una sola molécula interacciones específicas entre moléculas (ejemplo:
interacción antígeno-anticuerpo, interacción entre hebras complementarias de ADN) o
interacciones estructurales de las biomoléculas (plegado de proteínas) así como caracterizar
la elasticidad de polímeros. También es útil en estudios de indentación de materiales
blandos (polímeros) que permitan caracterizar propiedades elásticas de la muestra como el
módulo de elasticidad o visco elásticas.
Entre los múltiples modos de operación que tiene el MFA las usadas en este trabajo están:
Capítulo 2. Métodos. 74
AFM de Contacto: Mide la topografía deslizando la punta sobre la superficie de la muestra.
Se puede realizar en aire y en medio líquido.
AFM de Tapping: Mide la topografía tocando intermitentemente la superficie de la muestra
con una punta oscilante. Se eliminan las fuerzas laterales y de presión que pueden dañar las
muestras blandas y reducir la resolución de la imagen. Se puede realizar en aire y en medio
líquido.
EFM - Electroquímica: Mide los cambios de la superficie y las propiedades de los
materiales conductores sumergidos en soluciones electrolito, al establecer gradientes o
ciclos de intensidad-voltaje eléctrico.
Figura 26. AFM PARK NX10 - Laboratorio de Biomateriales Universidad Nacional de
Colombia – Sede Medellín
Fuente: Elaboración propia del autor
2.3 Técnicas de identificación de compuestos
Microscopía confocal Raman
La espectroscopía Raman es una técnica fotónica de alta resolución que proporciona en
pocos segundos información química y estructural de casi cualquier material o compuesto
Capítulo 2. Métodos. 75
orgánico y/o orgánico permitiendo así su identificación. El análisis mediante espectroscopia
Raman se basa en el examen de la luz dispersada por un material al incidir sobre él un haz
de luz monocromático. Una pequeña porción de la luz es dispersada inelásticamente
experimentando ligeros cambios de frecuencia que son característicos del material analizado
e independiente de la frecuencia de la luz incidente. Se trata de una técnica de análisis que
se realiza directamente sobre el material a analizar sin necesitar éste ningún tipo de
preparación especial y que no conlleva ninguna alteración de la superficie sobre la que se
realiza el análisis, es decir es no-destructiva [39].
Esta técnica tiene ventajas frente a otras, dado que se realiza directamente sobre el material
u no requiere ningún tipo de preparación previa y que no conlleva a ninguna alteración de la
superficie sobre la que se realiza el análisis [40].
Con esta técnica se puede analizar la composición química de compuestos orgánicos e
inorgánicos sin destruir la muestra, además se pueden analizar materiales en cualquier
estado: solido, líquido o gaseoso, otras técnicas de análisis son más restrictivas: la difracción
de rayos-x sólo permite determinar la composición a nivel atómico de cristales y aleaciones
inorgánicas muy bien ordenadas, la espectroscopia de fotoelectrones permite la
identificación de compuestos sólidos superficiales y necesita de ultra vacío, la
espectroscopía de infrarrojo permite analizar la composición química de sólidos orgánicos e
inorgánicos pero requiere la preparación de muestras muy delgadas para que sean
transparentes al IR, la fluorescencia de rayos-x permite solo un análisis por elementos de
sólidos, requiere de vacío y protección para el operario. Además, todas estas técnicas
mencionadas anteriormente requieren unos equipos de análisis de valor similar o superior al
necesario para llevar a cabo Raman (Figura 27).
Por lo anterior, queda claro que la espectroscopia Raman es una de las técnicas analíticas
más potentes de las existentes en la actualidad y, sin lugar a dudas la que más se adapta a
las exigencias del análisis de obras de arte. Sin embargo hay que destacar que la
espectroscopia Raman es una técnica con implicaciones en todos los ámbitos de la
investigación científica debido a que esta se basa en las vibraciones moleculares y estas
tienen lugar a cualquier cuerpo.
Algunos de sus campos de aplicación son los siguientes:
Capítulo 2. Métodos. 76
Aplicaciones biomédicas: el uso de la técnica ha destacado en el estudio de proteínas y
estructuras polipépticas en su estado fisiológico natural. Variaciones de esta técnica ha sido
exitosamente usada en la determinación de colesterol, lípidos, inmunoglobulina,
oligosacáridos y otras moléculas biológicamente activas.
Análisis de polímeros: estudios y caracterización de la cristalinidad de polímeros.
Figura 27. RAMAN LABRAM HR EVOLUTION HORIBA- Laboratorio de Biomateriales
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 3. Parte experimental 77
3 Capítulo 3. Parte experimental
3.1 Instrumentación
3.1.1 Equipos
Para llevar a cabo los diferentes experimentos se han empleado:
Potenciostato-galvanostato/ZRA marca Gamry instruments Interface 1000 y el
software de investigación electroquímica Zview, adecuado para su control mediante
ordenador. Se registraron las curvas i-E e i-t.
Agitador magnético
pH-metro de precisión SI AnalitiQ Handy Lab 100 calibrado de la forma habitual con
disoluciones reguladoras de pH 7.00 y 4.00 a (25 ± 0.5) ºC.
Cortador de precisión Isomet 1000 precision saw Buehler
Balanza electrónica digital Precisa LS 220A para realizar las mediciones del
material sólido. Permite la precisión de ± 0.01mg.
Micropipeta Transferpette®S Brand (capacidad de 100µL)
Baño de ultrasonidos Ultrasonic Elmasonic E15H
Plancha de calentamiento con agitación LB Pro M57-H550-5
Precipitado de 50ml
3.1.2 Electrodos y Celda de trabajo.
Las medidas electroquímicas se han llevado a cabo utilizando los siguientes
electrodos:
Electrodos de trabajo: Electrodo de Grafito al 98% de pureza modificado con
polímeros de Pirrol (98%) Alfa Aesar, PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)).
Capítulo 3. Parte experimental 78
Cloruro de potasio KCl, nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados con
MWCNTs-NH2.
Electrodo de referencia: Ag/AgCl/KCl (3 mol/L).
Electrodo auxiliar o contraelectrodo: electrodo de grafito.
A lo largo de esta experimentación se emplearon 2 tipos de celdas de trabajo: Una celda
realizada con un precipitado de 50 ml y 3 electrodos (trabajo, referencia y auxiliar) y una
celda electroquímica convencional de 20 ml, con una tapa hermética con tres orificios en su
superficie, que garantizaron que los tres electrodos se encontraran equidistantes entre sí, lo
que garantizo una electrodeposición más homogénea como se observa en la Figura 28.
Figura 28. Celda electroquímica
Fuente: Elaboración propia del autor
3.2 Reactivos y procedimientos experimentales
Los reactivos usados en este trabajo fueron adquiridos en las diferentes firmas comerciales
que se detallan más adelante; En todas las disoluciones acuosas preparadas en esta tesis
se utilizó como disolvente agua desionizada. Todos los experimentos electroquímicos fueron
realizados usando un Gamry instruments interface1000, en un habitual sistema de tres
electrodos, a temperatura ambiente. Un electrodo de referencia Ag/AgCl en 3.0 mol/L KCl,
un contra electrodo una barra de grafito 100mm de largo y 5.5 mm de diámetro, electrodos
Capítulo 3. Parte experimental 79
de trabajo de grafito 99%, 5.5mm diámetro y 40mm de longitud, a continuación se describen
los reactivos utilizados durante la fase experimental del trabajo.
Pyrrole 98% Alfa Aesar
EDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 97% Alfa Aesar
MWCNTs-NH2 Dropsetis
KCl Cloruro de potasio EMSURE
Agua pura y desionizada
Las muestras fueron caracterizadas morfológicamente mediante MEB microscopia
electrónica de barrido, (MEB) microscopio electrónico de barrido ZEISS, y
electroquímicamente con potenciostatic EIE y Voltametria de pulso diferencial (DPV).
3.2.1 Preparación del electrodo de trabajo
Un aspecto importante en la voltametría es el acondicionamiento de las superficies del
electrodo. Generalmente se desean superficies con objetivo especular o tipo espejo, tanto en
electrodos metálicos como carbonosos, con el objetivo de minimizar el área real y con ella la
contribución de la doble capa capacitiva en los voltagramas. Por lo cual una barra de grafito
fue sometida a corte mediante una cortadora de precisión para evitar irregularidades en la
superficie, seguido de esto se procedió al pulido, este es el pre-tratamiento más común para
los electrodos de disco (Figura 29).
El protocolo de pulido comprende una serie de pasos que consisten en el uso de material
que permita pulir la superficie y que a su vez disminuya el tamaño de partícula
progresivamente. El último pulido fue realizado después de sonicar aproximadamente por 10
minutos, para despojar la superficie de restos adheridos durante el pulido; a continuación se
detalla su preparación:
Se cortaron las barras de grafito en una cortadora de precisión con una longitud de
8.0 mm y un radio de 5 mm.
Se pulieron tipo espejo ambas superficies del cilindro con lija número 1200
progresivamente hasta la número 2000.
Se utilizó agua desionizada para lavar los electrodos y sonicar por 15 minutos.
Se cubrieron las zonas laterales y se dejó expuesta la superficie donde se llevó a
cabo la deposición y estructuración de las películas compuestas por crecimiento de
Capítulo 3. Parte experimental 80
las películas de polipirrol (Ppy) por voltametría cíclica (VC). luego se utilizó agua
desionizada para lavar los electrodos con ultrasonido por 2 minutos.
Todas las soluciones se prepararon con agua desionizada y adicionalmente con
Pirrol (98%), cloruro de potasio KCl y nanotubos de carbono de pared múltiple
funcionalizados MWCNTs-NH2.
En la Figura 29 a) se observa el electrodo tipo espejo después del pulido, b) lavado,
c) Sonicación, d) Electrodo preparado para la electrodeposición.
Todas las paredes de los electrodos se recubrieron con silicona y cilindros plásticos
de cable coaxial, el cual se insertó a presión para no generar una superficie
electroactiva adicional no controlada.
Figura 29. Proceso de pulido y lavado de los electrodos
,
Fuente: Elaboración propia del autor
3.2.2 Preparación del electrolito
El procedimiento para la fase I consistió en preparar una solución acuosa (neutral) de 0.25 mol/L pyrrole + 0.3wt%, nanotubos de carbono MWCNTs-NH2 en un precipitado de 50 mL, se adicionaron 0.5 mol/L KCL (donde el ion es el CL y el contra ion es el K ) en agua y se sónico esta solución por 30 minutos para garantizar una dispersión homogénea, que permitiera una buena electrodeposición (
Figura 30). De igual manera se realizó para la solución acuosa del EDOT, las fases II y III se
realizaron en la celda electroquímica convencional; con base en las concentraciones de
KCL, MWCNTs-NH2 y teniendo en cuenta las densidades, masas y los pesos moleculares de
cada uno de los compuestos empleados, se calcularon las proporciones en volumen para
Capítulo 3. Parte experimental 81
cada uno de ellos; en la tabla 3 se describe cada %V/V. Para la electrodeposición de los dos
polímeros, se realizó mediante 2 pasos, primero se realizó con el pirrol y después de
depositado en la superficie del electrodo, se realizó la electro polimerización con EDOT,
conservando siempre las concentraciones especificadas anteriormente.
Tabla 2. %V/V Utilizado para cada una de las electropolimerización.
Compuesto Peso molecular Densidad % V/V
Ppy 67,09 g/mol 1,33 g/cm3
86
PEDOT 142,17 g/mol 0,97 g/cm3 133
Fuente: Elaboración propia del autor
Figura 30. a) Sonicación de la mezcla de KCL y MWNTs-NH2, b) Dispersión del electrolito
Fuente: Elaboración propia del autor
3.2.3 Condiciones de trabajo
Fase experimental I
Esta etapa experimental fue realizada en tres fases, la primera consistió en la elaboración de
un electrodo de Ppy y MWCNTs-NH2 en diferentes concentraciones en las cuales se
buscaron las mejores condiciones y concentraciones para su electrodeposición, esta fase
tuvo como objetivo adquirir destreza para la elaboración y fabricación de los sensores con el
fin de mejorar las características eléctricas y mecánicas de la matriz polimérica compuesta
que se forma sobre la superficie de cada uno de los electrodos; Se obtuvieron 5 electrodos
de grafito (EG) recubiertos para su respectiva evaluación. Al igual que un electrodo de grafito
recubierto con Ppy denominado blanco, para la respectiva comparación (Figura 31).
La electropolimerización de películas compuestas de Ppy-MWCNTs-NH2 se llevó a cabo en
la solución acuosa descrita, variando la concentración de MWCNTs-NH2 con 2mg, 4mg, 6mg
(con y sin agitación) y 8mg (con agitación) (Tabla 4). Los registros para el sensor se
Capítulo 3. Parte experimental 82
realizaron después de obtener el electrolito, se montó la celda y se aplicó un voltaje por
medio del potenciostato durante 30 minutos aproximadamente, para obtener una buena
dispersión entre las nanoestructuras y el monómero. este procedimiento es de gran
importancia para garantizar una óptima deposición en la superficie del electrodo [41], y por
ende, un avance en el crecimiento de películas compuestas de Ppy-MWCNTs-NH2 y la
fijación de una apreciable cantidad de nanoestructuras con el fin de mejorar las
características eléctricas y mecánicas de la matriz polimérica [42][43][44][45][46][32]. Así
como un ensayo de estabilidad electroquímica por medio de espectroscopia de impedancia
electroquímica en una celda de tres electrodos. Para facilidad del reporte de los resultados
las muestras se denominaron electrodos de Ppy/MWCNTs-NH2/EG. Todas las medidas
fueron realizadas inicialmente con una temperatura de trabajo de 25 ± 0.1ºC. Todos los
potenciales están referidos al electrodo de referencia empleado.
La caracterizaron de los sensores se realizó por medio de espectroscopia Raman confocal y
microscopia de barrido (MEB), para los cual se empleó como sustrato del sistema
bioelectródico, un cilindro de grafito de 5 mm de diámetro y 8.5 mm de largo al 98% de
pureza y como componentes conductores pirrol (98%) marca Alfa Aesar, cloruro de potasio
(KCl) marca EMSURE grado analítico y nanotubos de carbono de pared múltiple
funcionalizados con NH2 marca Dropsens DRP.
Figura 31. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las películas
compuestas del polímero de Ppy conductor y los nanotubos de carbono de pared múltiple.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 3. Parte experimental 83
Tabla 3. Concentración de los diferentes electrodos de Ppy
Concentración de MWCNTs-NH2
Polímero 2 mg 4 mg 6 mg 6mg Agitación 8mg
PPy X X X X X
Fuente: Elaboración propia del autor
Fase experimental II
En la segunda fase experimental, se seleccionó una matriz, donde se realizaron
combinaciones entre la concentración de MWCNTs y la de los polímeros a utilizar, por lo
cual se fijaron tres concentraciones en cada uno de ellos (2, 4 y 6 miligramos), dado que en
la primera fase experimental se pudo observar, que para la concentración de 8 miligramos
garantizar una buena dispersión era difícil, teniendo en cuenta las condiciones de trabajo
con las que se contaba. Por lo cual se delimito la segunda fase experimental con solo tres
cantidades donde hubiese las mejores condiciones de trabajo para los dos polímeros a
utilizar que fueron Ppy y PEDOT, en la III fase experimental se realizó la co-polimerización
de estos dos polímeros, mediante una polimerización por pasos descrita más adelante en
este capítulo, buscando una mejor funcionalización del sensor en su fase inicial y una
afinidad en su fase final de elaboración.
En esta fase se electrodepositaron por separado cada uno de los monómeros y se incluyó la
BSA en electrolito en una concentración 5mg que permaneció constante en todas las
electropolimereizaciones, cambiando la concentración de nanotubos, luego se realizó el
proceso de electrodeposición. Después de realizada la electrodeposición se dejó secar el
sensor a temperatura ambiente. Y posteriormente se realizó un goteo de quitosano (Q)
mediante un micro pipeta con una dosificación de 50 microlilitros (µL) para cada uno de
electrodos, preparada anteriormente con 280 mg de Q en una solución de 0.1M de ácido
acético Luego se realizó voltametría cíclica (CV) a la velocidad de escaneado de 50 mV / s
durante 30 ciclos bajo un potencial de -0,1 V a 1,0 V vs Ag/AgCl 3M para obtener el EG
modificado con Ppy y BSA el cual se denominó (BSA@MIPs/MWCNTs-NH2/Ppy /Q/EG), de
igual manera se realizó la electropolimerización para el EDOT donde la ventana de potencial
fue de 0,2 V a 1,2 V y se denominó (BSA@MIPs/MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG).
Posteriormente se incubó el electrodo modificado de polímeros en una solución de ácido
sulfúrico H2SO4 1 M para extraer la de proteína BSA del molde y obtener las muestras de los
Capítulo 3. Parte experimental 84
electrodos EG modificados denominados (BSA@MIPs//MWCNTs-NH2/Ppy/Q/EG) y
(BSA@MIPs//MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG) respectivamente, los cuales fueron,
caracterizados y evaluados para su uso como posibles sensores, que permitan determinar la
concentración de la proteína BSA presente en un medio fisiológico simulado solución tapón
buffer(PBS) pH 7.5. El procedimiento detallado de preparación para cada EG modificado se
ilustra en la Figura 32
Figura 32. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las películas
compuestas de los polímeros conductores de Ppy o PEDOT y los nanotubos de carbono de
pared múltiple.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 3. Parte experimental 85
Se realizaron en total 9 electrodos con sus diferentes combinaciones como se muestra a
continuación.
Tabla 4. Concentración de los diferentes electrodos de Ppy , PEDOT y Pasos (PEDOT-Ppy)
Niveles- Concentración de MWCNTs-NH2
Polímero 2 mg 4 mg 6 mg
PPy 1 1 1
PEDOT 1 1 1
PPy + PEDOT 1 1 1
Fuente: Elaboración propia del autor
Para facilitar la caracterización de cada uno de los compuestos presentes en el compósito
mediante espectroscopia Raman, se realizaron los siguientes blancos, para una
identificación más detallada.
Tabla 5. Cantidades utilizadas para la realización de los blancos fase experimental II-III
Blanco Cantidad del
polímero (µL)
Cantidad de
Q (µL)
Cantidad de
KCL (mg)
Cantidad de
BSA(mg)
Ppy y quitosano 86 50 180 5
PEDOT y quitosano 133 50 180 5
Ppy, PEDOT y quitosano 86 +133 50 180 5
Fuente: Elaboración propia del autor
Fase experimental III
En esta fase se realizó la combinación de los dos polímeros, para ello se realizó una
electropolimerización por pasos, primero se sónico el electrolito de KCL con EDOT por 30
min, luego se electrodepósito el EDOT en las mismas condiciones de los electrodos
anteriores, después de finalizado el proceso se dejó a temperatura ambiente por un lapso de
30 min para permitir que se secara totalmente la superficie del electrodo, seguido de esto, se
preparó el electrolito con los MWCNTs-NH2 variando su concentración en 2mg, 4mg, 6mg
respectivamente, esta solución se sónico alrededor de unos 30 minutos, pasado este lapso
se adiciono a la solución el pirrol y se sónico por 30 minutos más.
Luego se realizó la electropolimerización de Ppy por voltametría cíclica (CV) sobre el
electrodo de grafito recubierto ya por el polímero PEDOT, con los mismos parámetros que se
Capítulo 3. Parte experimental 86
realizó el electrodo de BSA/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/EG, para obtener los electrodos EG
modificados (BSA@MIPs/MWCNTs-NH2/EDOT/Ppy/Q/EG).
Después de realizada la electrodeposición, se dejó secar el sensor a temperatura ambiente y
posteriormente se realizó un goteo de quitosano (Q) mediante una micro pipeta con una
dosificación de 50 microlilitros (µL) para cada uno de electrodos, en una concentración
homogénea de Q preparada anteriormente con 280 mg de Q en una solución de 0.1M de
ácido acético
Luego se incubó el electrodo modificado de polímeros en una solución de ácido sulfúrico
H2SO4 1 M para extraer la de proteína BSA del molde y obtener las muestras de los
electrodos EG modificados denominados (MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-NH2/Ppy/EG). El
procedimiento detallado de preparación se ilustra en la Figura 33.
Figura 33. Esquema del procedimiento utilizado para electropolimerización de las películas
compuestas de los polímeros conductores de Ppy, PEDOT y los nanotubos de carbono de
pared múltiple.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 3. Parte experimental 87
Espectroscopia confocal Raman
Para la evaluación de los precursores utilizados y su posterior caracterización química de las
muestras electropolimerizadas se empleó la espectroscopia Raman, mediante un
espectrómetro confocal Raman LabRam de Horiba. Dos tipos de láser fueron utilizados uno
de 785 nm y 532 nm, el filtro notch al 100%, una rejilla de 600 gr/mm, un tiempo adquisición
de 15 segundos y 20 segundos para las películas iniciales de Ppy y de 8 segundos y 6
segundos para las películas de EDOT y Ppy combianadas, las acumulaciones fueron
empleadas como condiciones de operación para este análisis.
Microscopia electrónica de barrido (MEB)
La caracterización morfológica de las muestras fue realizada con un microscopio electrónico
de barrido EVO MA10 de Carl Zeiss, con la detección de electrones secundarios y electrones
retrodispersados. Para identificar el contraste entre las nanoestructuras del Ppy, PEDOT y
su combinación con las diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2.
Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE)
Los experimentos electroquímicos fueron realizados usando un potenciostato/galvanostato
Gamry instruments interface1000 con un sistema de adquisición, procesamiento y reporte de
datos, en una celda electroquímica de tres electrodos, a temperatura ambiente. La
distribución de los electrodos fue realizada empleando un electrodo de referencia Ag/AgCl,
un contra electrodo de grafito, y un cilindro de grafito como electrodo de trabajo, el cual fue
previamente preparado. Se realizaron dos tipos de pruebas EIE, una inicial antes de la
electropolimerizaciòn empleando como solución electrolítica la mezclas descritas
previamente con un voltaje de perturbación de 10mV AC y un barrido de frecuencias entre
50000Hz y 0.1Hz.
Las pruebas EIE para la caracterización electroquímica de los sensores obtenidos
empleando como electrolito un fluido extracelular simulado con solución de tampón buffer
salino 1X (PBS) y pH 7.4. Un voltaje de perturbación de 10mV AC y un barrido de
frecuencias entre 100000Hz y 0.01Hz. Los datos de los espectros de impedancia en Bode y
Nyquist obtenidos de este análisis en PBS fueron ajustados empleando el software Zview® a
un modelo de circuito eléctrico equivalente. El ajuste del modelo se aceptó para los valores
Capítulo 3. Parte experimental 88
de chi-cuadrado (χ2) menores a 10-4, para corroborar afinidad de los materiales en soluciones
fisiológicas simuladas como lo es la PBS.
Tratamiento de datos
Los datos fueron adquiridos de forma digital, y el tratamiento de los mismos se ha efectuado
con ayuda de los programas ZView-Impedance Software, utilizado para la obtener los
modelos de circuito equivalente (CEE), XEI para el procesamiento de las imágenes de AFM
y EFM para determinar parámetros de rugosidad superficial, Gamry Echem Analyst para la
obtención de datos de las pruebas electroquimicas EIE, DPV.
Los programas mencionados se han utilizaron en la realización de las figuras que se
presentan en este trabajo.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 89
4 Capítulo 4. Resultados y Discusión
En este capítulo, se presentan los resultados obtenidos en cada una de las técnicas
empleadas para la caracterización de los electrodos descritos anteriormente; se presentan
además los resultados de la electropolimerización realizada en cada uno de los electrodos,
las morfologías correspondientes y los espectros Raman que caracterizan a las películas
depositadas sobre cada uno de los sustratos.
4.1 Electropolimerización
En la fase experimental se depositaron electroquímicamente dos polímeros conductores Py
EDOT cada uno sobre la superficie de un electrodo de grafito (EG), inicialmente se
electrodepositaron dos muestras que se denominaron los blancos, el primero compuesto por
Py junto con el electrolito y el segundo por EDOT junto con el electrolito, y luego con cada
uno de los polímeros sobre los demás electrodos a diferentes concentraciones de nanotubos
de carbono.
4.1.1 I Fase experimental
En la I fase experimental, se obtuvieron electrodos con Ppy a diferentes concentraciones
(2,4,6,8 mg de MWCNTs) junto al electrolito, el compuesto de Ppy/MWCNTs se unió a la
superficie del electrodo, para este caso, los MWCNTs sirvieron como una columna vertebral
nanométrica para la polimerización [43].
Se llevó a cabo la electropolimerización de acuerdo a la metodología explicada en el capítulo
3 y según el aspecto de la mezcla se identificaron diferentes características, como indicio del
grado de dispersión alcanzado de las nanoestructuras. Una de estas características fue el
color, entre más oscura fue la mezcla, se infirió mayor grado de dispersión. La mejor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 90
dispersión se alcanzó con el electrodo de 4mg, observándose nanoestructuras en todo el
volumen de la solución empleada. Para las demás mezclas se realizó un ajuste al montaje
experimental inicial, empleando agitación magnética durante el proceso de
electropolimerización para garantizar una dispersión más homogénea [47].
La electropolimerización del monómero de Pirrol (Py) se muestra en la Figura 34 a) donde
se identificó el potencial de oxidación, alrededor de 0.6 V. Este se halló por voltametría
cíclica con velocidad de barrido de 20mV/s, escogiendo una ventana de potencial adecuada
en la cual se generó la oxidación. Para ello se efectuaron 3 ciclos, donde el potencial que se
encontró fue similar al reportado anteriormente por otros investigadores [48] [49].
Luego se efectuaron 50 ciclos de voltametría cíclica, que se muestran en la Figura 34 b) con
una velocidad de barrido de 50mV/s para obtener la electropolimerización de películas de
Ppy sobre el EG. Estas películas de solo Ppy se realizaron con el fin de utilizarlo como punto
de comparación en la caracterización y evaluación del material compuesto Ppy/%p/p
MWCNTs-NH2/EG.
Figura 34. Voltagramas a) Prueba de oxidación Py, b) Voltametría cíclica de
electropolimerización por oxidación anódica.
Fuente: Elaboración propia del autor
El voltagrama de oxidación anódica y crecimiento del Ppy (Figura 34 b) es análogo al
reportado en otras investigaciones [43][48][49], donde se realizaron barridos desde 0.2 V
hasta 0.9 V vs Ag/AgCl 3M, las flechas indican el avance de la oxidación y reducción de la
electropolimerización respectivamente. En la gráfica se evidenció un aumentó en la corriente
y el área entre ciclos consecutivos, corroborando el crecimiento del polímero [50].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 91
La Figura 35 muestra los voltagramas de la electropolimerización de Ppy en presencia de
nanoestructuras con diferentes concentraciones (2 mg, 4 mg, 6 mg, 6mg con agitación, 8mg
con agitación) %p/p de MWCNTs-NH2 .
Figura 35. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) 6mg agitación,
e) 8mg agitación, f) Ppy
Fuente: Elaboración propia del autor
En los anteriores voltagramas se observan los cambios característicos de la corriente con
respecto a la cantidad de nanoestructuras utilizadas para cada muestra, este cambio de
corriente se le atribuye a la cantidad de nanoestructuras electrodepositadas sobre la
superficie del EG,para las muestras con agitación hay diferencia, pero la corriente es
consecuente con el aumento de las nanoestructura, teniendo en cuenta esta perturbación
externa.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 92
Se realizaron 50 ciclos a velocidad de barrido de 50mV/s. En todos los voltagramas el
incremento en la pendiente anódica de cada curva, ciclo tras ciclo, es un indicativo de la
disminución de la impedancia de las muestras EG con el recubrimiento Ppy/MWCNTs-NH2.
En el electrodo de 2mg la corriente anódica (Ia) aumentó hasta obtener una corriente anódica
máxima de Ia=10.40mA. Mientras que para el electrodo de 4mg, Ia=22.19mA. Para los
electrodos de 6mg sin y con agitación la Ia=17mA y Ia=26mA, respectivamente. Luego, la
muestra de 8mg, dado que se realizó en presencia de mayor agitación magnética la Ia
disminuyo (Ia=2.45mA), observándose también poca deposición en EG, lo cual es
consecuencia de la precipitacion de las nanoestructuras, estas corrientes son proporcionales
debido a que no se presenta un efecto sinergico
En la Figura 36 se presentan los voltagramas para el primer ciclo de cada una de las
muestras electropolimerizadas. En estos se aprecia un entrecruzamiento de la rama del
barrido anódico con la rama del barrido catódico. Este fenómeno se origina por la variación
que sufre el electrodo por efecto de la nucleación y comienzo de la formación de una nueva
fase sobre la superficie del electrodo donde el punto de entrecruzamiento indica el potencial
en el que el monómero ha comenzado a oxidarse y a generar polímero y por ende modifica
el EG [50].
Figura 36. Voltagramas de electropolimerización con: 2mg, 4mg, 6mg, 8mg y solamente PPy.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 93
Se conoce que la transferencia de carga desde y hacia el polímero conductor sigue
mecanismos muy diferentes dependiendo del grado de oxidación o el dopaje del polímero.
En otros trabajos de investigación [41] se propone: “A niveles bajos de dopaje las cadenas
del polímero no están conjugadas y la transferencia de carga ocurre de una manera
localizada y no contribuye a la capacitancia”, lo cual corrobora el resultado obtenido cuando
se aumenta el contenido de MWCNTs. Un aumento en el nivel del dopaje da lugar a la
conjugación de electrones o la deslocalización a lo largo de la cadena de polímero en la
banda de conducción. Luego la capacitancia electroquímica puede estar afectada por los
procesos que son de naturaleza farádica y no farádica [41].
Aunque los polímeros conductores han sido objeto de análisis por un par de décadas, los
conceptos básicos están todavía en debate debido a la complejidad del mecanismo de
electropolimerización.
Por lo tanto, la morfología y las propiedades de la película dependen de la naturaleza del
electrolito presente durante la formación del polímero [51] y de la presencia de las
nanoestructuras o agregados que se haya utilizado en el proceso de electropolimerización
[47].
4.1.2 II Fase experimental
Para la II fase experimental, inicialmente se realizó el procedimiento con el Ppy, donde se
delimitaron las concentraciones de MWCNTs-NH2 (2mg, 4mg y 6mg), de acuerdo a los
resultados obtenidos en la I fase, en esta fase el electrolito estaba acompañado de la
proteína BSA, con el fin de lograr un mayor soporte para la matriz polimérica compuesta,
adicionalmente tenían un goteo de quitosano al final de su fabricación buscando mayor
actividad electrodica entre los polimeros.
En la Figura 37 se reportan las voltagramas obtenidos durante la electropolimerización,
donde se observa que a medida que se varía la concentración de MWCNTs-NH2 la Qdep
aumenta en cada electrodeposición.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 94
Figura 37. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) Ppy.
Fuente: Elaboración propia del autor
En la anterior se evidencia una relación directa entre la Qdep (carga de deposición) y la
cantidad de nanopartículas, ya que las concentraciones del monómero de Ppy fueron
constantes. A menor concentración de nanoestructuras se presentó una menor carga Qdep.
Esto se pudo deber a que los nanotubos de carbono aportan mayor conductividad a la
corriente capacitiva, así como también se muestra en la Figura 37 a) - c), las corrientes de
diferentes electrodos disminuyeron con el número de ciclos aumentando, esto indica que la
película de polipirrol (Ppy) se creó sobre electrodos donde los grupos NH del pirrol logran
formar un enlace de hidrógeno con grupos COOH de la molécula de BSA para formar
monómeros de pirrol funcionales, y los grupos NH2 o OH del quitosano (Q) forman enlaces
de hidrogeno con los grupos COOH de la molécula de BSA inmovilizando y creando el molde
de BSA [27].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 95
En la Tabla 6. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de Ppy en presencia de
MWCNTs-NH2 y BSA. Se presentan los valores correspondientes a las corrientes anódicas
registradas en los electrodos de Ppy con diferentes concentraciones de MWCNTs.
Tabla 6. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de Ppy en presencia de
MWCNTs-NH2 y BSA.
Ia(mA) Inicial Ia(mA) Final Qdep (mC)
Ppy 15,08 15,98 57,17
Electrodo 1 Ppy 1,347 1,224 9,331
Electrodo 2 Ppy 24,16 23,47 129,4
Electrodo 3 Ppy 23,47 24,51 137,0
Fuente: Elaboración propia del autor
De la tabla anterior se observa, que cuando se realizó la electropolimerización sobre el EG
en la sola presencia del monómero (Py), la corriente anódica presentó un valor medio dentro
del rango medido, para las muestras donde se encuentran presente las nanoestructuras y la
BSA se observó una menor corriente anódica, en la electropolimerización con menor
cantidad de MWCNTs-NH2 se diferenció de las otras dos muestras en las cuales la cantidad
de nanotubos es mayor y por ende la corriente Ia final aumentó, esto se debe a que la
concentración de nanoestructuras pueden estar dominando en el proceso en referencia a la
BSA, la cual causa la disminución en la corriente del electrodo 1 Ppy.
Este fenómeno es resultado del efecto sinérgico de la presencia de nanoestructuras y BSA,
en esta fase los efectos de la mezcla de la solución electrolitica y la BSA, pueden estar
contrarestandose, por lo cual los valores correspondientes a las corrientes registradas en la
Tabla 6 son menores, debido al carácter resistivo de la BSA; luego las nanoestructuras
incrementan la conductividad, el área superficial y los sitios activos para la transferencia de
electrones, contrario a lo que puede causar la BSA [27].
Para la segunda parte de la II fase experimental se realizó el mismo procedimiento con el
PEDOT, en la Figura 38 donde se identificó el potencial de oxidación que fue alrededor de
0.9 V. Este se encontró por voltametría cíclica con velocidad de barrido de 20mV/s,
escogiendo una ventana de potencial donde se generó la oxidación, para la cual se
efectuaron 3 ciclos, donde el potencial que se encontró es igual al reportado por otros
investigadores [48] [49].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 96
Figura 38. Voltagramas a) Prueba de oxidación PEDOT, b) Voltametría cíclica de
electropolimerización por oxidación anódica.
Fuente: Elaboración propia del autor
El voltagrama de oxidación anódica y crecimiento del PEDOT (Figura 38 b) durante el
proceso de polimerización de EDOT y la solución de KCL. Con respecto a la bibliografía se
encontró que el electrolito y el tamaño del ion dopante afecta a la cinética de oxidación y la
conductividad eléctrica de las películas obtenidas [45]. Se realizaron barridos desde 0.2 V
hasta 0.9 V vs Ag/AgCl 3M, las flechas indican el avance de la oxidación y reducción de la
electropolimerización respectivamente.
En el cual se evidencia un aumento en la corriente y el área entre ciclos consecutivos,
corroborando el crecimiento del polímero [50], Esto se comprobó mediante espectroscopía
Raman y MEB. De lo anterior se puede concluir que es necesario un potencial de 0.9 V para
generar una cantidad suficiente de radicales catiónicos, con el fin de sintetizar una capa
uniforme e intacta del polímero [52].
La Figura 39. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d)
PEDOT.muestra los voltagramas de la electropolimerización de PEDOT en presencia de
nanoestructuras con diferentes concentraciones (2 mg, 4 mg y 6 mg) %p/p de MWCNTs-NH2
y BSA, donde se observó que a medida que se aumentó la concentración de MWCNTs-NH2
la Qdep disminuyó en la electrodeposición de cada muestra, la variación de la carga de
deposición se debe al crecimiento de la especies presentes en la solución electrolítica y la
interacción molecular que se presente sobre la superficie después de realizada la
electrodeposición, por lo cual se dedujo que la cantidad de nanotubos está directamente
Capítulo 4. Resultados y Discusión 97
relacionada con la carga de deposición, para este caso a mayor cantidad de nanotubos
mayor carga de deposición. Para esta fase se ve reflejado en los valores de Qdep que es
menor para cuando hay mayor cantidad de nanoestructuras lo cual hace que las cargas se
desplacen más fácilmente. Se podría decir que existe un mejor acople en esta mezcla del
electrodo 3 PEDOT.
Figura 39. Voltagramas de electropolimerización, a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg, d) PEDOT.
Fuente: Elaboración propia del autor
En la Tabla 7 se presentan los valores correspondientes a las corrientes anódicas
registradas en los electrodos de PEDOT con diferentes concentraciones de MWCNTs.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 98
Tabla 7. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de EDOT en presencia de
MWCNTs-NH2 y BSA.
Ia(mA) Inicial Ia(mA) Final Qdep (mC)
EDOT 5,762 5,802 22.71
Electrodo 1 PEDOT 2,535 3,926 9,614
Electrodo 2 PEDOT 1,535 2,794 5,956
Electrodo 3 PEDOT 0,368 1,517 3,154
Fuente: Elaboración propia del autor
De la tabla anterior es posible deducir que cuando se realiza la electropolimerización sobre
el EG en la presencia del monómero (EDOT), la corriente anódica presenta un valor bajo
dentro del rango medido. Para las muestras donde se encuentran presente en mayor
concentración las nanoestructuras y la BSA se observó una menor corriente anódica,
respecto a la electropolimerización con menor cantidad de MWCNTs-NH2 , donde se observó
una corriente (Ia) final muy inferior al del electrodo 1, esto puede deberse a que la
concentración de nanoestructuras no se dispersó de manera homogénea en el electrolito, o
que a mayor concentración incrementa la resistencia eléctrica por aglomeración y se dificulta
el paso de la corriente.
4.1.3 III Fase experimental
Para la III fase experimental se realizó el mismo procedimiento, pero en esta fase se
conjugaron los polímeros, a lo cual se le denominó polimerización por pasos entre el PEDOT
y el Ppy. En la Figura 40 . Voltagramas de electropolimerización, electrodos por pasos Ppy-
PEDOT a) 2mg, b) 4mg, c) 6mg.se identificó un potencial de oxidación, alrededor de 1,2 V.
Este se encontró por voltametría cíclica con velocidad de barrido de 20mV/s, escogiendo una
ventana de potencial, para la cual se efectuaron 3 ciclos, como en los casos anteriormente
expuestos.
Para la III fase experimental la variación de la carga de deposición se debe al crecimiento de
la especies presentes en la solución electrolítica y la interacción molecular que se presente
sobre la superficie después de realizada la electrodeposición por separado inicialmente para
el PEDOT y luego para el Ppy, en este caso la cantidad de nanotubos no está directamente
relacionada con la carga de deposición, esto puede deberse a la interacción molecular y al
Capítulo 4. Resultados y Discusión 99
acople que formen los dos polímeros utilizados, ademas de que el PEDOT hace más
conductor al PPy,lo cual se ve reflejado en los valores de Qdep que es menor para cuando
existe mayor cantidad de nanoestructuras, esto hace que las cargas se desplacen más
fácilmente. De lo anterior se infiere que existe un mejor acople en esta mezcla del electrodo
3 PEDOT.
Figura 40 . Voltagramas de electropolimerización, electrodos por pasos Ppy-PEDOT a) 2mg,
b) 4mg, c) 6mg.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 100
En la Tabla 8 se presentan los valores correspondientes a las corrientes anódicas
registradas en los electrodos de Ppy con diferentes concentraciones de MWCNTs.
Tabla 8. Corrientes anódicas (Ia) de electropolimerización de PEDOT y Ppy en presencia
de MWCNTs-NH2 y BSA.
Ia(mA) Inicial
(PEDOT)
Ia(mA) Final
(PEDOT)
Ia(mA) Inicial
(Ppy)
Ia(mA) Final
(Ppy)
Qdep (mC)
(PEDOT)
Qdep (mC)
(Ppy)
Pasos (PEDOT-
Ppy) 7,703 4,163 5,213 5,359 22,71 31,67
Electrodo 1 Pasos
(PEDOT-Ppy) 5,762 5,802 21,49 23,07 30,31 159,4
Electrodo 2 Pasos
(PEDOT-Ppy) 2,030 2,257 1,188 1,197 16,35 11,38
Electrodo 3 Pasos
(PEDOT-Ppy) 5,228 5,069 4,738 4,168 32,89 37,51
Fuente: Elaboración propia del autor
De la tabla anterior es posible deducir que cuando se realiza la electropolimerización sobre
el EG en la presencia del EDOT y luego del Py, se presenta en general un aumento entre la
corriente anódica inicial y la final. Para las muestras donde se encuentran presente en mayor
concentración las nanoestructuras y la BSA se observó una menor corriente anódica para los
dos polímeros. Las diferencias encontradas entre los valores correspondientes a la corriente
inicial con respecto a la final pueden deberse a la estructura y características de los
materiales implementados, de igual manera se corroboró que sobre la superficie se hubiese
electrodepositado el material mediante las técnicas de microscopia Raman y MEB.
De los valores correspondientes a las cargas de deposición (Qdep) podemos inferir que a
mayor valor mayor cantidad de polímero compuesto electrodepositado sobre la superficie.
4.2 Caracterización mediante microscopia Raman confocal
y microscopia de barrido (MEB)
Para la caracterización de los materiales y la electropolimerización de la I fase, se realizó
una caracterización por espectroscopia Raman, en la cual se definieron los picos
característicos de los dos monómeros comerciales que se utilizaron, ambos suministrados
Capítulo 4. Resultados y Discusión 101
por Alfa Aesar en estado líquido Py (98%), y el EDOT de forma similar. En la figura 41 se
muestran los espectros Raman para estos dos monómeros.
4.2.1 Caracterización Raman de los polímeros
En la Figura 41. Espectros Raman de a) Py puro en estado líquido, laser 785 nm, b) Py en
estado líquido y Ppy electrodepositado sobre EG laser 785 nm.se observa la caracterización
mediante espectroscopia Raman del Py y el polipirrol.
Figura 41. Espectros Raman de a) Py puro en estado líquido, laser 785 nm, b) Py en estado
líquido y Ppy electrodepositado sobre EG laser 785 nm.
Fuente: Elaboración propia del autor
Considerando lo reportado en otras investigaciones para los espectro Raman del Py, los
picos más característicos son los que se presentan en las longitudes de onda de 935 cm -1 y
984 cm-1, correspondientes a la deformación del anillo asociado con el di-catión, que en
anteriores investigaciones se reporta en 931 cm -1 (dipolarón), cercano al encontrado en este
estudio y el radical catión (polarón), respectivamente. La banda que esta aproximadamente
en 1415 cm-1 puede ser atribuida al estiramiento C-N, y en 1049 cm-1 y 1078 cm-1 a la
Capítulo 4. Resultados y Discusión 102
vibración en el plano C-H, en otros estudios se reportan picos caracteristicos para el
dipolaron en 931 y para el polaron en 1041 cm-1 en este estudio se observo un pequeño
corrimiento, esto es debido a la potencia utilizada para el laser, al utilizar una potencia alta
se solaparon algunos picos, por lo cual la intensidad de los mismos no es tan notoria,
también este corrimientose debe a la interacción del sustrato del EG con el Ppy, sin embargo
los picos en 935, 946, 974 y 1049 son correspondientes a los obsevados en el monomero.
Los parámetros experimentales que se utilizaron para la espectroscopia Raman se
describieron previamente. En esté espectro también se observó un pico característico del
monómero pirrol (Py), en 1144 cm-1 el cual desaparece luego de la electropolimerización,
como se puede corroborar en el espectro de la Figura 41 que muestra el antes y después
del EG recubierto, este pico está asociado a contracción del anillo o a la deformación del
plano N-H. En este se diferencian picos característicos del Ppy, en 974 cm-1 y 1049 cm-1
bandas características del estado reducido del polímero (forma benzoide). Así como una
disminución en la intensidad del pico de 935 cm-1 la cual es característica del estado oxidado
del polímero (forma quinoide), los espectros muestran claramente una transición de un
estado oxidado del polímero a uno más reducido [28][53][54].
Se llevaron a cabo estudios de Raman para determinar adicionalmente los modos de
vibración del PEDOT en el intervalo de número de onda de 900 a 3200 cm-1, como se
muestra en la Figura 42.
Figura 42. Espectros Raman de PEDOT sobre el electrodo de grafito (EG)
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 103
Los picos a 1562 y 1500 cm-1 provienen del estiramiento asimétrico del enlace Cα=Cβ y el
pico más intenso a 1432 cm-1 y puede atribuirse al estiramiento simétrico del enlace Cα=Cβ
(en el monómero EDOT, Cα es el átomo de carbono que se conecta con el átomo de azufre,
mientras que Cβ es el átomo de carbono que se une con Cα). Los picos a 1366 cm-1 se
asignan al estiramiento interrumpido Cβ - Cβ, y los picos a 1267 cm-1 se asignan al
estiramiento inter - anillo C-C. Los picos a 1100 y 697 cm -1 se asignan al estiramiento C-O-C
y curvatura C-S-C, respectivamente. Se observa un pico a 990 cm-1 correspondiente al modo
de estiramiento anti-simétrico del enlace C-C. El espectro resultante es similar a los de otros
resultados y la ausencia de cualquier señal en la región de 650 a 680 cm-1 del espectro
podría conducir a conclusiones similares de que las cadenas PEDOT electrodepositadas
tiene una microestructura altamente plana [48][55][56].
4.2.2 Caracterización Raman de Nanotubos de carbono de pared
múltiple (MWCNTs-NH2)
Luego se llevó a cabo la adquisición espectral correspondiente a los nanotubos de carbono
funcionalizados, para verificación de las muestras compuestas de Ppy/MWCNTs-NH2 los
cuales son 1338cm-1, 1575 cm-1 y se presentan en la Figura 43.
Figura 43. Espectros Raman de los MWCNTs-NH2
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 104
4.2.3 Caracterización Raman y MEB -I fase experimental
Para las muestras de la I Fase con nanoestructuras de MWCNTs-NH2, se realizó un
espectro Raman donde se verifico la estructura y electropolimerización del Ppy, verificada
también mediante análisis MEB, lo que permitió diferenciar los MWCNTs-NH2 del material
compuesto. Los resultados para la solución con 2mg, 4mg, 6mg (sin agitación), 6mg y 8mg
con agitación de MWCNTs-NH2 en %p/p se muestran en la Figura 44 donde se realizó un
comparativo de espectros de las muestras preparadas y se encontró espectros con picos
característicos del Ppy y MWCNTs-NH2.
Figura 44. Espectros Raman a) muestra con 2mg, b) muestra con 6mg, c) muestras con
4mg, 6mg y 8 mg con agitación.
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
La Figura 44 a) corresponde al espectro de las muestras de 2mg, la Figura 44 b) a la muestra
de 4mg sin agitación, la Figura 44 c) a la muestra de 6mg sin agitación y en la Figura 44 d) se
Capítulo 4. Resultados y Discusión 105
presenta todos los espectros de las muestras bajo agitación, así como la de 4mg sin agitación y
el espectro de MWCNTs-NH2. De acuerdo a la literatura [57] los picos característicos de
MWCNTs están presentes en 1355-1575 cm-1 y los que corresponden al Ppy son los picos
adicionales presentes entre 932-1048 cm-1. En esta investigación se adquirieron picos en 935,
988 y 1053 cm-1, estos picos no se presentaron con las condiciones de la espectroscopia
confocal Raman previamente descrita, por lo cual los parámetros se modificaron y se empleó un
láser con longitud de onda de 532 nm y una rejilla de 1800gr/m. Sin embargo, se presenta
corrimiento de los picos cuando la muestra es analizada con el láser de longitud de onda de 785
nm y rejilla 600 gr/mm, los picos presentes son 1309 -1525 cm-1 y uno adicional en 946 cm-1 que
puede ser asignado a la presencia de Ppy [47].
Tambien se observan los picos caracteristicos de los MWCNTs-NH2, con respecto a la Figura
41b) donde no hay presencia de los picos de 1355 cm-1 y 1575 cm-1, esto corrobora la presencia
de nanoestructuras de carbono en las muestras, las cuales fueron preparadas a diferentes
concentraciones, posterior a esto fueron analizadas y comparadas morfologicamente mediante
MEB (Figura 45).
Figura 45. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas de Ppy/MWCNTs-NH2 (a-b) Ppy solo, (c-d) 2mg,(e-f) 4mg, (g-h) 6mg con
agitación, (i-j) 8mg con agitación.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 106
En la figura anterior se observa que las peliculas preparadas con Py sin MWCNTs-NH2 son
relativamente más densas. Las películas preparadas con la solución Py y MWCNTs-NH2
muestran rasgos morfológicos queindican la presencia de los MWCNTs-NH2 incorporados dentro
de la matriz de Ppy, donde es posible observar la superficie de MWCNTs-NH2 recubiertos con
Ppy con cierto grado de porosidad, conteniendo estructuras alargadas, que no se observaron en
las películas de solo Ppy. En las muestras observadas se presentó una relación directa entre la
matriz y la cantidad de nanotubos de carbono presentes en las soluciones, como se diferencia en
las imágenes de 8 y 6 mg; es más perceptible la presencia de MWCNTs-NH2 con respecto a las
otras soluciones donde la cantidad de nanoestructuras en las películas es menor, al igual que su
porosidad. De la misma forma, se observa que las nanoestructuras sirven como inoculadores
para el Ppy, ya que estos modifican la forma habitual como crece el Ppy, nucleando y creciendo
alrededor de estos.
Con los espectros Raman y las imágenes de MEB se pudo comprobar la presencia de nanotubos
de carbono y Ppy, la interacción entre estos dos componentes puede hacer que los picos
característicos de los MWCNTs-NH2 cambien su intensidad, lo cual se observó en el espectro
Raman de la Figura 46.
Figura 46. Espectro Raman en varios puntos de observación (P1, P2 Y P3) de la muestra de
PPy/6mg.
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 107
De acuerdo a esta figura, la intensidad de los picos característicos cambió respecto al
espectro Raman de solo MWCNTs-NH2, donde la mayor intensidad se presentó en el pico
de 1338 cm-1 y el de menor intensidad 1575 cm-1 (Figura 46). Luego de la
electropolimerización, se presentó mayor intensidad en el pico de 1575 cm-1, posiblemente a
un cambio de la estructura de los nanotubos.
La Figura 45 reveló la presencia de MWCNTs-NH2, en los cuales, los espectros Raman
fueron adquiridos en diferentes puntos de observación (PO) de la muestra de 6mg,
presentando picos en las bandas asociadas a la presencia de PPy y de MWCNTs-NH2
puros. Los picos de 935 cm-1 ,974 cm-1 ,1054cm-1 y 1387 cm-1 y 1590 cm-1 corresponden al
polímero y los MWCNTs, respectivamente. Una comprobación de esta interacción se
presenta en la figura 47 donde en las imágenes de MEB se observó una morfología en forma
de coliflor para el Ppy, variando con la presencia de nanotubos de carbono recubiertos de
Ppy, aumentado su diámetro de 200 nm a 800 nm aproximadamente.
Figura 47. Imágenes en MEB de nanotubos de carbono recubiertos de Ppy dispersos en la
matriz polimérica.
Fuente: Elaboración propia del autor
En resumen, en la Tabla 9 se presenta una relación entre los picos del espectro Raman
obtenidos experimentalmente y el valor reportado por otros investigadores para el Ppy.
[56][58].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 108
Tabla 9. Bandas obtenidas en el análisis estructural Raman y asignación a cada uno de los
grupos funcionales del Ppy.
Raman shift cm-1
Pico reportado (Ppy oxidado),[58]
Ppy en electrodo de grafito, PPy/EG (Ppy oxidado)
Ppy /MWCNTs-NH2/EG
(Ppy oxidado) Asignación
1560,1630 1590 1580 Estiramiento del anillo C=C
1326,1392 1307 1346 Estiramiento C-N
939,998,1044 946,1047 936,988,1053 C-H Deformación del
plano
Fuente: Elaboración propia del autor
Para la evaluación del material y la electropolimerización de la II fase experimental, se
realizó una caracterización por espectroscopia Raman a los blancos reportados en la tabla 5.
En el cual se definieron los picos característicos de los dos monómeros comerciales después
de haber sido electrodepositados y posteriormente goteados con quitosano, tal como se
describió en la metodología. Para ello se caracterizó la BSA en estado líquido y sólido y se
identificaron los picos más característicos. En la Figura 48 se describe el análisis de la BSA
y en la correspondiente a cada blanco.
La albúmina de suero bovino (BSA) es la proteína más abundante en el plasma de
mamíferos y ha sido objeto de muchas investigaciones por su fácil aislamiento en grandes
cantidades, su alta estabilidad y su solubilidad. La BSA es la principal proteína que
contribuye a la presión osmótica coloide de la sangre y también la proteína de transporte
para numerosos compuestos endógenos y exógenos. Esta molécula consiste en una única
cadena polipeptídica que contiene aproximadamente 580 aminoácidos [59].
Figura 48. a) Espectro Raman de la BSA liquida, b) BSA sólida.
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 109
Los espectros obtenidos de los aminoácidos constitutivos de BSA se muestran en la Figura
48 a) y b). Las vibraciones de cadena lateral, particularmente los movimientos de anillo, se
asignan usando los espectros de los aminoácidos individuales, esto implica que los
movimientos de la cadena lateral están altamente localizados y sus asignaciones de
frecuencia se pueden transferir con confianza a los espectros de proteínas. Esta observación
coincide con la similitud conocida de los espectros Raman de proteínas con composiciones
de aminoácidos comparables [40][59].
En la Figura 48 a) se infieren los picos característicos del espectros de la albumina de suero
bovino en estado sólido, los picos encontrados en 441 cm-1 y 507 cm-1 corresponden a los
puentes de disulfuro en proteínas y péptidos debido a que la frecuencia de un modo de
estiramiento S-S del puente disulfuro es sensible a su conformación y su enlace es
medianamente fuerte.
En la BSA liquida se observa un aumento de la intensidad en el modo de estirado cerca de
938 cm-1 la relación de intensidad de la línea de 938 cm-1 a la línea de 1003 cm-1 aumenta,
esto es indicativo de un cambio conformacional en línea con el cambio de amida III. La
intensidad del estiramiento esquelético cerca de 938 cm-1 se encuentra asociado con el
contenido en α-helicoidal.
En investigaciones previas [40], también se ha reportado la intensidad de la línea de 940
cm-1 que se correlaciona bien con el contenido α -helicoidal de la tropomiosina a medida que
la proteína se desnaturaliza elevando el pH. También se ha reportado el aumento de la
intensidad del pico de 938 cm-1 tras la disolución de BSA, lo cual puede deberse a un
aumento en el contenido helicoidal. Aparentemente en el BSA de estado sólido, sin la
cantidad de equilibrio de agua, se puede indicar que las cadenas helicoidales están
distorsionadas. Tras la disolución, las moléculas de agua promueven la movilidad de las
cadenas esqueléticas de modo que superan la distorsión del estado sólido y se vuelven más
ordenadas en solución [40][60].
Los picos de 1206 cm-1 y 1275 cm-1 se atribuyen a la región de extensión cerca de 900-1000
cm-1 con intensidades más intensas en el espectro de BSA nativo. Esto se debe a que los
modos de la cadena esquelética altamente acoplados de la proteína están ausentes en los
aminoácidos individuales. El pico presente en 1357 cm-1 corresponde a los enlaces dobles
CH [40].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 110
Los espectros de BSA en solución y estado sólido son ligeramente diferentes en varias
regiones espectrales. Los ácidos glutámico y aspártico comprenden aproximadamente el
22% de los residuos de aminoácidos en BSA. El pico reportado en el espectro de solución de
BSA a 1403 cm-1 se puede asignar al modo de estiramiento simétrico de los grupos carboxilo
de cadena lateral ionizados. El pico presente en 1449 cm-1 corresponde a un enlace fuerte
entre CH2 o CH3. Los picos cercanos a 1402 y 1730 cm-1 se encuentran en los espectros de
poli (ácido L-glutámico) [60] y tropomiosina [61] en líquido y sólido, respectivamente.
De acuerdo a la Figura 48b), se observó mediante espectroscopia Raman la conformación
de puentes disulfuro en proteínas y péptidos debido a que la frecuencia de un modo de
estiramiento S-S del puente disulfuro es sensible a su conformación. La banda identificada
en 508 cm-1, se debe al modo de estiramiento S-S, debido a que la BSA tiene un residuo de
cisteína y 17 puentes disulfuro, los cuales juegan un papel importante en la reacción de
intercambio de sulfidril-disulfuro intramolecular (isomerización N-A, envejecimiento molecular
de BSA) [3,10,22,24].
Los picos correspondientes a 840 cm-1 y 862 cm-1 se le asignaron al enlace débil del doblete
de tirosina. La relación de intensidad de este doblete se determina por la naturaleza del
enlace de hidrógeno del hidroxilo fenólico en el residuo de tirosilo, que determina la
extensión de la resonancia de Fermi entre los dos componentes.
Cuando el hidroxilo es fuertemente unido con el hidrógeno da un aceptor negativo como C02,
por lo cual la línea de mayor frecuencia es más débil que la inferior (relación típica de las
intensidades de pico 3: 10) mientras que la superior se vuelve más intensa si la unión H es
más débil o si un protón ácido externo está unido al oxígeno del OH fenólico (relación típica
10: 4). Donde hay aproximadamente 19 residuos de tirosilo por molécula de BSA y la
relación de intensidad media para sus dobletes es de (10: 7). Esto indica que la mayoría de
los residuos están en la última categoría. Es decir, la mayoría de los grupos hidroxilo de los
residuos de tirosilo, ya sean "enterrados" o "expuestos", forman enlaces de hidrógeno
débiles o sirven como aceptadores a otros protones que son donantes ácidos. Así, en la
proteína nativa pH 6, donde probablemente la mayor parte de los residuos tirosilo están en
segmentos α-helicoidales, hay pocos sitios de unión negativos disponibles, si es que
existen, tales como CO2- para los OH fenólicos [62][63], en la BSA liquida este pico esta
desplazado hacia los 880 cm-1 el cual podría suponerse que tiene relación con el doblete de
Capítulo 4. Resultados y Discusión 111
tirosina, teniendo en cuenta que además el láser utilizado en la referencias es diferente al
utilizado durante la experimentación.
Se encontró que la intensidad del modo de estirado a 935 cm-1 está asociada con el
contenido de α-helicoidal, lo cual se refiere a la distribución espacial de la molécula y las
interacciones presentes. También se conoce que la intensidad del pico encontrado alrededor
de los 940 cm-1 se correlaciona bien con el contenido α-helicoidal de la tropomiosina a
medida que la proteína se desnaturaliza elevando el pH. Estos estudios sugieren que la
intensidad de la línea de 938 cm-1 tras la disolución de BSA puede deberse a un aumento del
contenido helicoidal. Por lo anterior es posible que el pico encontrado en 944 cm-1 se
correlacione con el contenido de α–helicoidal [40].
El pico encontrado en 1240 cm-1 se relacionó con la región de la amida III. Se ha reconocido
desde hace algún tiempo que la región entre 1225 y 1300 cm-1 en los espectros Raman de
las proteínas es sensible a la geometría de los grupos peptídicos que constituyen la columna
vertebral de la proteína. Se ha mostrado que la vibración de amida III es una mezcla de
estiramiento de enlace C-N y curvatura de enlace N-H en el plano, lo que da lugar a una
frecuencia próxima a 1230 y 1235 cm-1 para enlaces peptídicos en una conformación de hoja
plegada, cerca de 1240 - 1250 cm-1 para la geometría de bobina aleatoria y de 1260 a 1300
cm-1 para una conformación helicoidal.
De las Figura 48 a) y b), respectivamente, en la siguiente tabla se resumen las asignaciones
de líneas espectrales (tabla 9).
Tabla 10. Asignación de picos de los espectros de Raman de Albúmina Bovina en estados
de sólido y líquido.
Raman shift cm-1
Sólido [40],[64] Liquido[40] Asignación
- 441 S-S
508 507 S-S 840, 862 880 Doblete de tirosina
940, 951 965 C-C-N
1011, 1139 1011, 1163 C-N 1216 1206 Enlace dobles C=H
- 1275 Amida III
1347 1357 C-H
1415, 1450 1403 Grupos carboxilos
1450-1605 1449-1535 CH2 O CH3
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 112
Figura 49. Espectro Raman de Quitosano (Q)
Fuente: Elaboración propia del autor
En la Figura 49se observan los picos característicos del espectro de Quitosano (Q), los
cuales mostraron enlaces C-C alrededor de los 1560 cm -1 y enlaces C-N alrededor de los
1460 cm -1. El pico en 897 cm -1 se relacionó con el enlace fuerte C-O-C, el pico encontrado
alrededor de los 1373 cm-1 se asignó al enlace fuerte CH3 y el pico encontrado en 2878 cm-1
se relacionó con un doblete de estiramiento de metileno [65]. Las asignaciones de líneas
espectrales se muestran en la tabla 10.
Tabla 11. Asignación de picos de los espectros de Raman de Quitosano (Q)
Raman shift cm-1
Sólido [66] Asignación
352 C-C=O-C 422, 493 C-C=O
897 C-O-C 1373 Estiramiento de metileno
(CH3) 1460 C-N 1560-1884 C-C 2006-2878 Doblete de metileno
3310 Estiramiento OH Fuente: Elaboración propia del autor
Después de caracterizar individualmente el Py, EDOT y el quitosano (Q), se procedió a
analizar los espectros de los blancos referenciados en la tabla 5.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Inte
ns
ity
(c
ou
nts
)
Raman shift (cm-1)
Quitosano 2878
897422
493
352
1109
1258
1373
15751461
3310
21841884
2006
Capítulo 4. Resultados y Discusión 113
4.2.4 Caracterización Raman y MEB -II fase experimental
En la Figura 50 se observa la caracterización de los blancos de los electrodos.
Figura 50. Espectros Raman correspondiente a los blancos de a) PEDOT-Q, b) PEDOT, c)
Quitosano (Q)
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3, CS: Quitosano
Fuente: Elaboración propia del autor
En la anterior figura se observa el espectro Raman correspondiente al blanco de PEDOT-Q y
se realizó el comparativo con la Figura 50 b) y c) que corresponden al espectro de solo
PEDOT y de solo Quitosano respectivamente, en la Figura 50 a) se desplazan algunos picos
correspondiente al PEDOT como es el caso de 1438, 1509,1367, 1264, 996 cm-1 y se
conservó el pico ubicado en 1100 cm-1; se presentaron algunos de los picos
correspondientes al quitosano como es el caso de 1264, 1883, 2009, 2188 cm-1, este
corrimiento es debido posiblemente a la combinación de ambos materiales con el electrolito
y posterior electrodeposición. En el caso del pico presentado en la Figura 50 a) en 2868 cm-
1 junto al hombro cercano a 2947 cm-1 corresponden al quitosano.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 114
Figura 51. Espectros Raman de a) Ppy-Q, b) Ppy, c) Q
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3, CS: Quitosano
Fuente: Elaboración propia del autor
En la anterior se observa el espectro Raman correspondiente al blanco de Ppy-Q,
comparado con el espectro de Ppy y quitosano de las figuras 51b) y 51c) respectivamente.
En la Figura 51 a) se desplazaron algunos picos correspondiente al Ppy como es el caso de
936, 1416 cm-1 y se conservó el pico en 991 cm-1; se presentaron picos correspondientes al
quitosano en 421, 1259, 1584, 1882, 2183 cm-1 y se conservó el pico en 2006 cm-1; este
corrimiento se puede relacionar a la combinación de ambos materiales con el electrolito y
posterior electrodeposición.
De los espectros es posible concluir, una adecuada electrodeposición para formar la matriz
polimérica entre el Ppy y el quitosano [67].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 115
Figura 52. Espectros Raman de a) Ppy, b) PEDOT, c) Q, d) Ppy-EDOT-Q
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
En la anterior se observa el espectro Raman correspondiente al blanco de PEDOT-Ppy-Q
para compararlo con los espectros de EDOT, Ppy y quitosano de las Figura 52 a), b) y c)
respectivamente. En la Figura 52 d) se desplazaron algunos picos correspondiente al Ppy
en 341 y 1060 cm-1, también se desplazaron picos del PEDOT en 699, y 1369 cm-1; también
se presentaron desplazamientos de los picos del quitosano en 1451, 1571, 1886, 2007 y
2182 cm-1, se puede relacionar a la combinación de los materiales con el electrolito y
posterior electrodeposición.
De acuerdo a las imágenes MEB, esta combinación corresponde a la formación de una
matriz polimérica densa entre el PEDOT, Ppy y el quitosano [67]. El pico presentado en la
Figura 52 d) en 2881 cm-1 es difícil diferir si corresponde al pico presentado en 2877 cm-1 en
el PEDOT o al pico presentado en 2878 cm-1 del quitosano.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 116
Se realizó el análisis morfológico en el microscopio de barrido (MEB), el cual se muestra en
la Figura 53. Las imágenes obtenidas facilitaron la informacion morfológica de las muestras
de EDOT solo sobre la superficie del EG y de cada uno de los blancos de la fase
experimental II (Tabla 6).
Las imágenes MEB de las películas preparadas con las concentraciones de Ppy, PEDOT y
quitosano (Q), fueron similares en concentración para cada uno de los blancos.
Figura 53. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas de a),b) y c) de PEDOT, d) PEDOT-Q, e) y f) Ppy-Q, g),h) e i) Ppy-
PEDOT-Q.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 117
La Figura 53 a),b) y c) corresponde a las imágenes del PEDOT electrodepositado sobre la
superficie del EG. En a) se observa que la superficie del EG quedo recubierta uniformente y
su estructura aparece relativamente densa con respecto a la película formada por el PEDOT-
Q en d), donde se observa que el recubrimiento con quitosano tiene una morfología más
plana, sin conformación porosa o grumosa. En las muestras b) y c) son imágenes más
detalladas de la imagen a) observándose una estructura porosa y relativamente alargada,
producto de la nucleación y crecimiento de PEDOT. Esta configuración puede facilitar la
adherencia o la fijación de otras estructuras como el quitosano, [68].
En la Figura 53 e) y f) se muestran las películas de Ppy-Q donde se observa que el polímero
generó una nanoestructura grumosa con una forma más alargada, comparada con las
películas de PEDOT; la porosidad y la orientación de los poros, tienen un papel crucial para
determinar la actividad biológica de los biomateriales. [41].
Las Figura 53 g),h) e i) corresponden a las películas de Ppy-PEDOT-Q, donde se observó
que el polímero conductor PEDOT adquiere una configuración nanoestructurada cuando se
combina con otro polímero como el Ppy de similares características, (co-polimerización). La
película de Ppy-PEDOT presentó una distribución morfológica de granos globulares, poros y
huecos característicos de la unión de estos dos polímeros de Ppy y PEDOT.
La presencia de poros en el co-polímero, de acuerdo a reportes en investigaciones
anteriores, facilita la retención de iones y su posterior liberación para facilitar la lectura
electroquímica. El goteo de quitosano sobre el recubrimiento tipo barniz que suaviza
morfológicamente el co-polímero obtenido [67].
Después de caracterizar los blancos, se realizó el análisis de los espectros Raman de cada
una de las combinaciones presentadas en la tabla 4, donde se tiene en cuenta la presencia
de MWCNTs a diferentes concentraciones, 2,4 y 6 mg. En la Figura 54 se muestran los
resultados obtenidos de los tres electrodos por cada monómero utilizado individualmente y la
polimerización por pasos realizada con los dos monómeros.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 118
Figura 54. Espectros Raman de los tres electrodos de Ppy a diferentes concentraciones 2,4
y 6 mg
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
En la figura anterior se observan los espectros Raman correspondientes a los electrodos
realizados con Ppy/MWCNTs/BSA/Q donde se evidencia que sus estructuras en gran parte
del espectro son muy similares aun siendo concentraciones diferentes, los picos encontrados
en cada uno de ellos presentan corrimientos o desplazamientos entre +/- 10 cm-1, una
diferencia que permite relacionarlos con los espectros individuales de cada material. Los
picos encontrados alrededor de los 446 cm-1 corresponden a los puentes de disulfuro en
proteínas y péptidos atribuidos a la BSA en estado líquido. Otro de los picos
correspondientes a la BSA es el pico encontrado en 1404 - 1410 cm-1 asignado a los grupos
carboxilos [52][53].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 119
La banda típica entre 1584 -1586 cm-1 indica la banda D en marco hexagonal y banda G
junto con nano-lámina de grafito en modo tangencial de MWCNTs, respectivamente. El pico
característico de la banda D destinado al defecto o tensiones inducidas debido a la
presencia de grupos de oxígeno, así como carbono similar al diamante en la hibridación SP3
del modo de relajación en enlaces C-C. Además, la banda G está asignada desde el plano
E2g en estiramiento del modo vibracional con carbono de grafito en la configuración SP2.
El mayor valor de la relación de intensidad de picos de la banda D (ID) a la banda G (IG)
corresponde a la presencia de más defectos en las paredes laterales de MWCNTs oxidados
[69]. Los picos entre de 943 y 984 cm-1 corresponden al espectro de Ppy, los cuales se
asocian a la deformación del plano C-H, el pico encontrado en 1575 cm-1 en el caso de la
figura 51c) puede corresponder a los enlaces C-C del quitosano o este corrimiento, también
puede deberse a que los MWCNTs-NH2 presentan un pico exactamente en esa misma zona,
por lo cual se especula que estos dos picos están solapados entre sí, dificultando su
identificación. Algunos de estos corrimientos también pueden atribuirse a la combinación del
monómero con el electrolito y posterior electrodeposición[47] [67].
Hallados individualmente los picos característicos del Ppy, Quitosano y BSA, se hallaron los
picos característicos de la mezcla de los tres materiales donde se observa que en la Figura
54 a presenta un mayor acople entre los tres materiales, dado a que los picos individuales de
cada uno de ellos prevalece en el espectro Raman, mientras que en la Figura 54 b y la
Figura 54 c se observaron corrimientos y desvanecimientos notorios de algunos picos como
en el caso del Quitosano, de la mezcla de los materiales utilizados se esperaba un óptimo
acople, que permitiera potencializar sus características y mejorara su conductividad, por lo
cual de los electrodos realizados con Ppy/Q/BSA a diferentes concentraciones de
nanotubos, se pudo concluir que el electrodo que mejor acople presento fue el electrodo 1
Ppy
En la Figura 55, se muestran las imágenes MEB correspondientes a los electrodos sobre
EG de Ppy a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 y quitosano e impresos mediante
MIPs.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 120
Figura 55. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas de BSA@MIPs /MWCNTs-NH2/Ppy /Q/EG a),b),c) 2 mg, d), e), f) 4
mg, g),h) e i) 6 mg.
Fuente: Elaboración propia del autor
En la figura Figura 55, se observó la morfología del electrodo 1 de Ppy con una
concentración de 2mg de MWCNTs-NH2, a diferentes magnitudes (500X, 1000X Y 6000X),
en a) y b) se evidenció una morfología plana y lisa que podría atribuirse al efecto de unión y
de cobertura viscosa del Q sobre la superficie del EG. Después de la electropolimerización
de MIPs (molécula impresa) sobre el BSA/MWCNTs-NH2/Q/EG, la película impresa mostró
una distribución morfológica regular través de la superficie del electrodo.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 121
La oxidación anódica de Ppy producido por pirrol fue cubierta sobre la superficie del EG
presentando una disposición morfológica tubular con estructura de nanoporo en orientación
vertical, con algunas nanoestructuras alargadas.
En la Figura 52 (a-c) se muestran las imágenes después de la inmovilización de Q en Ppy.
La porosidad de la película disminuyó después de la inmovilización CH debido a la
encapsulación enzimática dentro del compuesto; Como resultado del proceso de
electropolimerización, se obtuvieron superficies lisas de electrodos modificados. Las
imágenes confirman la formación de compuestos nanohíbridos y mostró que la
polimerización electroquímica de pirrol en presencia de Q puede mejorar la capacidad de
inmovilización enzimática con polímero redox catiónico, lo que mejora aún más la estabilidad
química y física del biosensor. Además, la integración homogénea de Ppy en MWCNTs-NH2
junto con Q muestra efectos sinérgicos sobre la velocidad de transferencia de electrones, lo
que aumenta las corrientes de reducción controladas por difusión [59][31].
En la Figura 55 d, e y f se observaron rasgos correspondientes al electrodo 2 de Ppy con
una concentración de 4 mg de MWCNTs-NH2, donde la morfología es mucho más uniforme
debido al aumento en la concentración de nanoestructuras, observándose una superficie
totalmente electro depositada con la estructura del Ppy, porosa y en forma de coliflor.
Además se puede inferir que el Q no sólo desempeña un papel importante en la dispersión
de los MWCNTs-NH2, sino que también ayuda a formar un fuerte compuesto
supramolecular entre Ppy y MWCNTs-NH2 a través de enlaces de hidrógeno que permite la
homogeneidad de películas BSA/MWCNTs-NH2/Ppy/EG.
En la Figura 55 f se observa el engrosamiento de la forma tubular característica de los
nanotubos. En las películas del electrodo 3 de Ppy con una concentración de 6 mg, se
observa que a una mayor concentración de nanotubos hay mayor homogeneidad en las
nanoestructuras formadas. En la Figura 56 se observan los espectros Raman
correspondientes a los electrodos realizados con EDOT/MWCNTs/BSA/Q.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 122
Figura 56. Espectros Raman de los tres electrodos de PEDOT a diferentes concentraciones
2,4 y 6 mg.
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
Se observa que sus estructuras en gran parte del espectro son muy similares aun siendo
concentraciones diferentes, siendo los picos encontrados alrededor de los 446-448 cm-1
correspondientes a los puentes de disulfuro en proteínas y péptidos atribuidos a la BSA en
estado líquido.
El pico encontrado en 995-996 cm-1 correspondieron al corrimiento del pico encontrado en el
espectro de PEDOT en 990 cm-1, lo anterior debiéndose solo a la mezcla del monómero y el
quitosano.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 123
El pico encontrado en 1108 cm-1 en cada uno de los electrodos correspondió al corrimiento
de 1 cm-1 hacia a la izquierda del pico en 1109 cm-1 del quitosano.
Los picos presentados en 1262, 1269 y 1670 cm-1 corresponden a la mezcla del PEDOT el
cual se asignó al estiramiento inter-anillo C-C. El pico alrededor de 1443, 1512 y 1513 cm-1
se atribuyó al estiramiento simétrico del enlace Cα = Cβ. Los picos encontrados en 2874,
2875 cm-1 y sus respectivos hombros hacia la derecha 2946, 2647 y 2956 cm-1 se asignan al
doblete del metileno del quitosano [53].
El pico encontrado en 1578 cm-1 en todos los edítales puede corresponder a los enlaces C-C
del quitosano o deberse a que los MWCNTs-NH2 presentan un pico exactamente en esa
misma zona, por lo cual se especula que estos dos picos están solapados entre sí, lo cual
dificultando su identificación, pudiéndose tratar del quitosano o de las nanoestructuras [47].
Hallados individualmente los picos característicos del PEDOT, Quitosano y BSA, se hallaron
los picos característicos de la mezcla de los tres materiales donde se observa que en la
Figura 56 a,b y c se presenta un buen acople entre los tres materiales, dado a que los picos
individuales de cada uno de ellos prevalece en el espectro Raman, se observaron
corrimientos y desvanecimientos mínimos entre electrodos, de la mezcla de los materiales
utilizados se esperaba un óptimo acople, que permitiera potencializar sus características y
mejorara su conductividad, por lo cual de los electrodos realizados con PEDOT/Q/BSA a
diferentes concentraciones de nanotubos, se pudo concluir que los 3 electrodos en general
tuvieron un buen acople, pero los electrodos 1 y 2 PEDOT presentaron una mejor acople
respecto al electrodo 3 PEDOT, dado que en este electrodo se presentó un leve corrimiento
en los picos característicos de los nanotubos y el Quitosano.
En la Figura 57, se presentan las imágenes MEB correspondientes a estas combinaciones.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 124
Figura 57. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas de BSA@MIPs /MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/EG a),b),c) 2 mg, d), e), f) 4
mg, g),h) e i) 6 mg.
Fuente: Elaboración propia del autor
Los electrodos de PEDOT compuestos presentaron una estructura menos porosa que la
morfología de solo PEDOT (Figura 53 a, b, c) donde se observó agregados de
nanopartículas conectados y recubiertos con diámetro aproximado de 439.2nm. En la Figura
57 a, b y c el PEDOT es fácilmente identificable, debido a la presencia de quitosano goteado
aunque hay presencia de algunos rasgos morfológicos, dados por las nanoestructuras
presentes. Cabe señalar que estas estructuras en las películas formadas por el PEDOT
también favorecen el movimiento iónico, así como se ha demostrado que la incorporación de
MWCNTs-NH2 en estos polímeros mejora, no sólo sus propiedades mecánicas y eléctricas,
Capítulo 4. Resultados y Discusión 125
sino también el comportamiento electroquímico necesario para un buen funcionamiento
como biosensor, parte debido a los MWCNTs-NH2 aniónicos y las propiedades conductoras
del PEDOT. La optimización del procedimiento para la electrodeposición del recubrimiento
se basó en los resultados preliminares sobre la electrodeposición de PEDOT puro tanto en el
blanco como en las matrices de electrodos, el grado de porosidad del recubrimiento PEDOT
fue beneficiosa para permitir la inmovilización de las nanoestructuras empleadas [70].
4.2.5 Caracterización Raman y MEB -III fase experimental
En la Figura 58 se observan los espectros Raman correspondientes a los electrodos
obtenidos con los dos monómeros
Figura 58. Espectros Raman de los tres electrodos de PEDOT - Ppy a diferentes
concentraciones 2,4 y 6 mg.
*P1: Punto de observación 1, P2: Punto de observación 2, P3: Punto de observación 3
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 126
En estos espectros se evidencia que sus estructuras en gran parte del espectro son muy
similares, sobre todo lo correspondiente a b) y c) donde hay mayor concentración de
nanoestructuras y correlación de picos.
Los picos encontrados entre 1575-1580 cm-1 pueden corresponder a los enlaces C-C del
quitosano o deberse a que los MWCNTs-NH2 presentan un pico exactamente en esa misma
zona, estando estos dos picos solapados entre sí, dificultando su identificación [47].
Los picos encontrados en 2876 cm-1 y sus respectivos hombros hacia la derecha 2955 y
2957 cm-1 se asignan al doblete del metileno del quitosano [53].
Los picos en 1264 y 1266 cm-1 se asignaron a la mezcla del PEDOT el cual corresponde al
estiramiento inter-anillo C-C. Los picos entre 981 - 992 cm-1 corresponden al espectro de
solo Ppy, los cuales se asocian a la deformación del plano C-H.
Hallados individualmente los picos característicos del Ppy, PEDOT Quitosano y BSA, se
hallaron los picos característicos de la mezcla de los tres materiales donde se observa que
en la Figura 58 a presenta un mayor acople entre los tres materiales, dado a que los picos
individuales de cada uno de ellos prevalece en el espectro Raman, mientras que en la
Figura 58 b y la Figura 58 c se observaron corrimientos y desvanecimientos notorios de
algunos picos como en el caso del Quitosano, de la mezcla de los materiales utilizados se
esperaba un óptimo acople, que permitiera potencializar sus características y mejorara su
conductividad, por lo cual de los electrodos realizados con Ppy/Q/BSA a diferentes
concentraciones de nanotubos, se pudo concluir que el electrodo que mejor acople presento
fue el electrodo 1 Ppy/PEDOT.
Los electrodos de molécula impresa denominados BSA@MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-NH2
/Ppy/EG se observan en las imágenes MEB de la Figura 59.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 127
Figura 59. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas de BSA@MIPs/Q/PEDOT/MWCNTs-NH2/Ppy/EG a),b),c) 2 mg, d), e),
f) 4 mg, g),h) e i) 6 mg.
Fuente: Elaboración propia del autor
Se observa en los electrodos impresos una morfología menos porosa que la morfología de
solo PEDOT y Ppy (Figura 53), en los cuales se observaron agregados de nanopartículas
conectados y recubiertos por PEDOT y Ppy. En esta imagen se observa para la Figura 59a
estructuras interconectadas y alargadas. Adicionalmente su estructura en las imágenes
obtenidas a 1.00 y 6.00 KX mostraron que el goteo final con quitosano (Q) y la proteína
(BSA) recubre el electrodo al punto de aplanar la superficie, por lo cual se evidenciaron
estructuras irregulares en forma de placas y con aspecto más denso, debido a la fluidez del
quitosano.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 128
4.2.6 Medidas de grosor de los electrodos
Después de caracterizar cada uno de los electrodos se realizaron medidas de perfil de los
mismos, en las cuales se obtuvieron medidas del grosor de la capa electrodepositada en
cada uno de los electrodos mediante MEB, en la Figura 60 se observan las medidas
realizadas sobre la superficie del electrodo. En la Tabla 12 se determinan los promedios de
cada una de ellas.
Figura 60. Imágenes MEB del grosor del recubrimiento sobre las superficies de los
electrodos de grafito EG modificados con películas compuestas BSA@MIPs/Q/X*/MWCNTs-
NH2/EG. Ppy (a) 2,b) 4,c) 6)mg, (d) 2,e) 4,f) 6)mg PEDOT; X* (Ppy o PEDOT).
Fuente: Elaboración propia del autor
Tabla 12. Grosor de recubrimiento
Tipo de Electrodo
Grosor del recubrimiento (µm)
1 Ppy 35,89
2 Ppy 67,19
3 Ppy 72,14
1 PEDOT 63,88
2 PEDOT 34,25
3 PEDOT 87,65
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 129
Se observa en los valores de la tabla anterior, para el Ppy el valor del grosor de la película
electrodeposita es directamente proporcional a la Qdep a mayor grosor se presenta mayor
carga de deposición, contrario al PEDOT ya que donde hay mayor grosor menor Qdep. En
este caso la Qdep no es un valor confiable para determinar la electrodeposición.
4.2.7 Imágenes MEB después del baño en H2SO4
Luego de incubar los electrodos modificados de polímeros en una solución de ácido sulfúrico
H2SO4 1 M para extraer la de proteína BSA del molde y obtener las muestras de los
electrodos EG modificados, denominados (MIPs//MWCNTs-NH2/Ppy o PEDOT /Q/EG)
respectivamente, estos fueron, caracterizados mediante MEB para observar cada una de las
superficies de los electrodos antes de las pruebas DPV. En la Figura 61 se observan las
imágenes obtenidas.
Figura 61. Imágenes MEB de las superficies de los electrodos de grafito EG modificados con
películas compuestas MIPs/Q/X*/MWCNTs-NH2/EG. Ppy (a) 2,b) 4,c) 6)mg, (d) 2,e) 4,f)
6)mg PEDOT.
Fuente: Elaboración propia del autor
En la figura anterior se puede observar que para los electrodos de Ppy a diferentes
concentraciones de nanoestructuras, las vacancias generadas por el desmolde con el baño
de ácido sulfúrico, se encuentran en menor proporción con respecto a las vacancia
generadas en los electrodos de PEDOT.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 130
Esto se debe a la diferente estructura morfológica de los polímeros empleados donde el Ppy
presentó una estructura más densa coformada con aglomeraciones en forma de coliflor
formadas después de la electropolimerización. Esta característica genera que después baño
no se generen las suficientes vacancias necesarias para censar la BSA presente en la PBS,
al no desmoldarse de la forma esperada. Por lo tanto las corrientes en estos electrodos
disminuyen con el aumento de la concentración de la proteína, por lo cual a mayor
concentración de BSA las señales se estabilizan debido a la saturación entre las moléculas
de BSA y los sitios de unión en matriz polimérica.
En el caso del PEDOT la estructura morfológica presentada permite crear mayores
vacancias, lo cual puede generar sitios con alta afinidad para censar la BSA, permitiendo
mayor transporte de cargas a través de la matriz polimérica, incrementando la corriente a
concentraciones más altas de BSA.
4.3 Caracterización por microscopia de fuerza atómica
(AFM)
Las características rugosas y eléctricas de las películas obtenidas sobre los electrodos de
grafito, fue estudiada con la técnica de microscopia de fuerza atómica (AFM) con una
definición de 5 µm x 5 µm, obteniendo imágenes de topografía, amplitud y fase. En la Figura
62 se presentan los resultados obtenidos siendo la Figura 62 a) la altura de la muestra, la
Figura 62b) corresponde a la amplitud de la muestra y la Figura 62 c) corresponde a la fase
encontrada en cada una de las mismas.
4.3.1 Caracterización I fase experimental
La Figura 62 corresponde a las películas obtenidas solo con los monómeros y el electrolito.
Esta estructura de pequeños granos para la muestra de Ppy presentó una aglomeración del
polímero porosa. Se observa un patrón de aglomeración en forma de coliflor, siendo la
superficie de la película PEDOT diferente comparada con el Ppy, en el cual la superficie es
menos compacta y mucho más porosa. En la Tabla 11 se presentan los resultados muestra
la rugosidad de cada una de las películas obtenidas.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 131
Se observan las imágenes de AFM para las muestras de los polímeros conductores usados
durante la experimentación, los cuales se electrodepositaron individualmente con el
electrolito con los monómero y sobre la superficie de grafito.
Figura 62. Morfología de los polímeros Ppy y PEDOT
Fuente: Elaboración propia del autor
En las anteriores imágenes se observa una distribución bastante homogénea, pero con
diferencias particulares para ambos electrodos, presentando partículas redondas globulares
para el Ppy.
El Ppy comparado con el PEDOT contiene menos aglomeraciones, la imagen de Ppy
comparada con el PEDOT contiene menos aglomeraciones siendo una superficie más lisa.
El PEDOT presentó una distribución topográfica uniforme en altura y fase, sin patrones
definidos. De acuerdo a las imágenes de amplitud de ambas muestras, se observa que la
superficie del Ppy es más porosa que la del PEDOT, mostrando una superficie más
compacta y lisa. De acuerdo a los resultados obtenidos, la distribución de potencial difiere en
ambos electrodos, por la distribución anódica-catódica del Ppy y netamente catódica del
PEDOT. En trabajos realizados anteriormente, donde se ha reportado que el Ppy tiene
aplicaciones más capacitivas, lo cual hace que en su escala de amplitud en zonas oscuras
registre mayores valores (-12 mV), en comparación del PEDOT (10 mV) el cual tiene
aplicaciones como conductor y disminuyendo las pérdidas óhmicas [71].
Capítulo 4. Resultados y Discusión 132
4.3.2 Caracterización II fase experimental
En la Figura 63 se presentan las imágenes de los blancos seleccionados para la II fase
experimental, donde se electrodepositaron cada uno de los polímeros sobre los EG con un
goteo de quitosano. Estos electrodos poseen nanoestructuras en concentraciones de 2,4 y 6
mg de MWCNTs y de proteína impresa (BSA).
Figura 63. Blancos de Ppy y PEDOT con quitosano (Q).
Fuente: Elaboración propia del autor
En la primera imagen anterior se observa el Ppy con el quitosano, donde se evidencia que el
quitosano recubrió de manera homogénea la superficie y le proporcionó a la muestra una
forma superficial más lisa.
En la muestra de PEDOT con quitosano se observó un recubrimiento homogéneo sobre la
superficie del electrodo, donde el quitosano atenuó algunas de las aglomeraciones
presentes sin dejar de evidenciarse otras.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 133
En la muestra de pasos (PEDOT – Ppy) con quitosano se observó una superficie con una
topografía superficial más lisa, haciéndose más visible las aglomeraciones entre los dos
polímeros, pero de forma alargada y plana.Comparando las tres imágenes de fase, se
observa que para las muestras de Ppy, PEDOT y PEDOT-Ppy con quitosano la rugosidad
(113,383; 41,260; 27,519) µm fue mayor en de la muestra de Ppy.
La presencia del quitosano, en los polímeros altera el comportamiento electródico
aumentando el sentido anódico de los electrodos. Las muestras con el PEDOT y Pasos
(PEDOT-Ppy) presentaron más paquetes de pixeles blancos que en la muestra de Ppy, pero
la muestra de PEDOT-Ppy mostró un mayor potencial catódico que los otros dos blancos,
dado que en la escala de amplitud se reporta un máximo de 200 mV en algunas de las
zonas blancas. comparados con los valores de amplitud del PEDOT y Ppy (20 y 15 mV)
respectivamente, este resultado concuerda con investigaciones anteriores, donde se realizó
una co-polimerización de PEDOT-Ppy introduciendo el PEDOT en la matriz polimérica para
compensar la conductividad más baja de los electrodos Ppy [71].
Lo anterior está relacionado con la morfología de cada uno de los polímeros utilizados. El
Ppy tiene inconvenientes notables como la alta rigidez, la baja velocidad de difusión de iones
y el riesgo de sobre oxidación. Mientras el PEDOT es un polímero químicamente y
térmicamente estable que exhibe una buena conductividad en el estado dopado.[71]
4.3.3 Caracterización III fase experimental
En la Figura 64 se presentan las imágenes correspondientes a los electrodos fabricados con
Ppy a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 los cuales tienen en su fase final de
fabricación un goteo con quitosano y BSA, en las imágenes de topografía 3D se observa
mayor homogeneidad en la muestra con la concentración de 6 mg. Esta superficie se
presenta una menor aglomeración y más lisa con respecto a la de baja y alta concentración
que presentaron estructuras en forma de coliflor, como en las imágenes de MEB obtenidas
para cada uno de los electrodos. A medida que se aumentó la concentración de nanotubos
de carbono aumento la rugosidad de la muestra. Por lo cual se evidenció mayor rugosidad
en el electrodo 3 (Tabla 11), debiéndose a que el Ppy es un polímero que al ser
electrodepositado forma recubrimientos más compactos porque no es de aspecto tan
poroso. Este no permitió la inclusión de nanoestructuras en una cantidad considerable
dentro del bulk de la matriz polimérica, presentándose estas nanoestructuras incluidas casi a
Capítulo 4. Resultados y Discusión 134
nivel superficial del electrodo incrementando la rugosidad al incrementar la cantidad de
nanotubos de carbono. Se observa que sobre la superficie de los electrodos de Ppy, las
zonas blancas blancas pueden corresponder a nanoestructuras de carbono, esto se debe a
que el bulk del Ppy es más denso por lo cual quedan expuestas las nanoestructuras. Las
imágenes de AFM-EFM fase permitieron localizar nanoestructuras de carbono en la matriz
polimérica mejor que en las imágenes topográficas [72].
Figura 64. Electrodos de Ppy a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 (2,4 y 6 mg).
Fuente: Elaboración propia del autor
En las imágenes de morfología 3D de la anterior figura se observa que la electrodeposición
del polímero y las nanoestructuras de carbono fue uniforme.
En las imágenes de amplitud y fase se observa mayor contraste de paquetes de pixeles
blancos para cada una de las muestras, donde se observa una buena distribución
homogénea en la muestras de 4 y 6 mg, aunque en la de 2 mg se observan aglomeraciones
con contraste en blanco mucho más intenso que corresponden a aglomeraciones de
Capítulo 4. Resultados y Discusión 135
nanoestructuras de carbono, lo cual indica que la dispersión de nanoestructuras en la
superficie no fue muy buena con respecto a las otras dos electrodos. En la imagen de
amplitud se observa que la inclusión de los nanotubos para cada muestra incrementa la
conductividad, aunque los MWCNTs-NH2 no son perceptibles en las imágenes topográficas,
debido a que están atrapados dentro de la matriz polimérica, las aglomeraciones y los
contrastes de pixeles blancos en la imágenes de fases es una clara muestra de la presencia
de nanoestructuras de carbono de la matriz polimérica compuesta, dando lugar a un
aumento significativo de la conductividad de cada muestra (4 - 6 mV) respectivamente. En la
Figura 65 se presentan las imágenes correspondientes a los electrodos fabricados con
PEDOT a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 los cuales tienen en su fase final de
fabricación un goteo con quitosano y BSA.
Figura 65. Electrodos de PEDOT a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 (2,4 y 6
mg).
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 136
En las imágenes de morfología 3D se observa correcta electrodeposición del polímero y las
nanoestructuras de carbono, dado a que la superficie presenta una distribución homogénea
en este recubrimiento.
En las imágenes de amplitud y fase se observa mayor contraste de paquetes de pixeles
blancos para cada una de las muestras donde se observa una buena distribución
homogénea en la muestras de 2 y 6 mg, aunque en la de 4 mg se observan aglomeraciones
con contraste en blanco mucho más intenso que corresponden a aglomeraciones de
nanoestructuras de carbono, presentándose estas en menor tamaño comparadas con el
electrodo 1 de Ppy, las cuales son de mayor tamaño, indicando que la dispersión de
nanoestructuras en esta superficie fue mejor respecto a los electrodos de Ppy.
Las aglomeraciones presentes en la imagen de fase son puntuales con respecto a las
aglomeraciones del electrodo 1 de Ppy.
En las imágenes de amplitud se observaron valores de 60,300 y 200 mV respectivamente
para cada una de las muestras, donde el electrodo 2 de PEDOT por presentar
aglomeraciones puntuales influye en el valor de amplitud, sin embargo se evidencia una
tendencia al aumento de la conductividad con el incremento de las nanoestructuras de
carbono.
En las imágenes de AFM-EFM de fase, las aglomeraciones y los contrastes de pixeles
blancos es muestra de la presencia de los nanoestructuras de carbono, dando lugar a un
aumento significativo de la conductividad.
Para estos electrodos la tendencia de rugosidad es inversa a la presentada en los electrodos
de Ppy en los cuales a mayor concentración de nano estructuras mayor rugosidad. Esto se
puede deber a la topografía específica del polímero PEDOT, siendo esta menos rígida y
compacta, permitiendo incorporar mayor cantidad de nanoestructuras en el bulk.
En la Figura 66 se presentan las imágenes correspondientes a los electrodos Pasos
fabricados con PEDOT-Ppy a diferentes concentraciones de MWCNTs-NH2 los cuales tienen
en su fase final de fabricación un goteo con quitosano y BSA.
En las imágenes de topografía 3D de los electrodos por pasos (PEDOT-Ppy) se observa una
electrodeposición diferente para cada concentración de nanoestructuras de carbono, dado a
que la superficie no presenta una distribución similar.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 137
Para el electrodo 1 pasos se observa una electrodeposición con morfología de
aglomeraciones de forma circular y grande, contrario al electrodo 3 de pasos donde se
observan aglomeraciones en forma alargada que se extienden en toda la superficie. En el
electrodo 2 de pasos las aglomeraciones son de forma circular y pequeñas, muy similar a los
electrodos anteriores.
Figura 66. Electrodos de Pasos (PEDOT – Ppy) a diferentes concentraciones de MWCNTs-
NH2 (2,4 y 6 mg)
Fuente: Elaboración propia del autor
En las imágenes de amplitud y fase se observa mayor contraste de paquetes de pixeles
blancos para cada una de las muestras donde se observa una buena distribución
homogénea en la muestras de 2 y 4mg. La muestra de 6 mg carece de paquetes de pixeles
blancos, se observa pixeles de color negro que forman figuras alargadas con respecto a las
otras dos muestras, lo que evidencia que no hay nanoestructuras de carbono o que
quedaron encapsulados en el bulk de la matriz PEDOT-Ppy.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 138
Las aglomeraciones y los contrastes de pixeles negros es una muestra de que la presencia
de nanoestructuras fue escaza o que quedaron internas en el bulk y no permite
evidenciarlas. En la Tabla 13 Se reporta la rugosidad media cuadrática (Rq) y (Ra) como el
promedio de la rugosidad de cada una de las muestras, de las cuales se puede inferir
algunas tendencias en aumento o la disminución de la rugosidad dependiendo del dopado
del electrodo y la cantidad de nanoestructuras presentes en su matriz polimérica.
Tabla 13. Valores de Ra y Rq de las muestras.
Muestra Ra (nm) Rq (nm)
Ppy 351,455 373,
Ppy+Q 110,109 122,557
Electrodo 1 Ppy 243,623 282,803
Electrodo 2 Ppy 314,681 355,343
Electrodo 3 Ppy 377,228 446,985
PEDOT 142,849 177,642
PEDOT+Q 41,260 45,624
Electrodo 1 PEDOT 280,386 319,080
Electrodo 2 PEDOT 216,745 259,157
Electrodo 3 PEDOT 116,259 126,265
PEDOT-Ppy+Q 43,859 52,149
Electrodo 1 PEDOT-Ppy pasos 408,000 504,000
Electrodo 2 PEDOT-Ppy pasos 236,084 276,420
Electrodo 3 PEDOT-Ppy pasos 181,031 197,393
Fuente: Elaboración propia del autor
En la tabla anterior se observa que para la capa de solo polímero electrodepositado sobre el
EG se presentó mayor rugosidad en el de Ppy, para los blancos con goteo de quitosano el
que mayor rugosidad presentó es el de Ppy+Q, se observó en todas las muestras que la
adición de quitosano disminuyó la rugosidad de las muestras.
Para los electrodos con nanoestructuras se pudo observar que se presentan diferentes
tendencias, para los electrodos de Ppy el aumento de nanoestructuras aumenta la
rugosidad, para los electrodos de PEDOT el aumento en las nanoestructuras disminuye la
rugosidad y finalmente para los electrodos por Pasos a medida que aumenta las
nanoestructuras disminuye su rugosidad, debido a las características morfológicas descritas
y analizadas anteriormente de cada uno de los polímeros adoptando el comportamiento
presentado en el PEDOT.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 139
4.4 Análisis EIE
Esta es una técnica relativamente nueva, pero muy útil, que permite caracterizar muchas de
las propiedades eléctricas y los procesos físico-químicos de los materiales y su interfase. A
través de este tipo de análisis electroquímico se puede obtener información sobre la cinética,
los mecanismos de formación y modificación de superficies.
Esta técnica tiene numerosas aplicaciones que van desde el estudio del transporte de masa,
velocidades medias de difusión, corrosión y propiedades eléctricas hasta el estudio de
defectos microestructurales. Se puede usar para el estudio de sistemas tan variados como
sensores químicos, biosensores, inmunosensores, componentes de pilas de combustión, o
para investigar el comportamiento de las membranas en células vivas o tejidos [73].
Antes de finalizar el proceso de fabricación del sensor se realizaron ensayos de estabilidad
química por medio de EIE y los resultados obtenidos para los diagramas de Bode y Nyquist
para cada una de las películas depositadas sobre las superficies de los EG. Los parámetros
utilizados para los blancos en la prueba EIE fueron los siguientes, una frecuencia inicial de
10000 Hz, una frecuencia final de 0.01 Hz, puntos por década 7, voltaje DC de 0 V, mediante
una solución de PBS (bufer de fosfato salino), para los Blancos, finalizada la fabricación del
sensor se realizaron las pruebas EIE para cada muestra, donde los parámetros fueron
iguales excepto el voltaje DC en el cual se amplió el rango de 0 V a 0 - 0.4 V, a estas
muestras se les realizo previamente un baño en ácido sulfúrico H2SO4 1 M donde se extrajo
la BSA creando una huella impresa en el sensor, para su posterior entrenamiento en una
solución PBS en el rango de 10-4 M a 10-9 M de BSA; en cual se relacionó con el rechazo de
BSA y bloqueo de las cavidades que quedan expuestas después del baño (DB) en la matiz
polimérica compuesta y permitió determinar la concentración de la proteína BSA en la
solución de PBS.
Finalmente se realizaron las curvas de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-
NH2/PEDOT, Ppy o PEDOT_Ppy/Q/EG) para diferentes concentraciones de BSA contenidas
en 0.10Mm de [Fe (CN)6]3-/4,mediante estas se encontraron de dos tipos de sensores, unos
que retiene moléculas de la proteína BSA a medida de que aumenta la concentración
aumenta la corriente y otros retienen a medida de que aumenta la concentración disminuye
la corriente, por lo cual existen diferencias en la representación de los circuitos equivalentes
Capítulo 4. Resultados y Discusión 140
dependiendo a qué tipo de sensor se asemeje y la cantidad de material electrodepositado
sobre la superficie del electrodo.
4.4.1 Análisis EIE Blancos
En la
Figura 67 y Figura 68 se muestran los diagramas de Bode y Nyquists respectivamente, para
los blancos de Ppy, PEDOT y PEDOT-Ppy. Los blancos fueron obtenidos en una solución
con BSA de 1mg/mL a 25°C.
La presentación de los datos en forma de diagrama de Bode modulo para los tres blancos de
Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy, revela claramente la presencia de dos constantes de tiempo
(cambios de pendiente), una a alta y otra a baja frecuencias. Esta última evidencia la
formación de una doble capa electroquímica, mientras en el diagrama de Bode fase cada
uno de los blancos presentó un comportamiento diferente. Para el blanco de Ppy se observa
un ángulo de fase cercano a los 32° y su valor de impedancia es pequeño, cuando
disminuye la frecuencia (frecuencias medias y bajas) la impedancia aumenta, esto se asocia
a la capacitancia de la doble capa electroquímica en la interfase electrodo-película
compuesta (Ppy-Q) y la resistencia de transferencia de carga Rtc en la superficie del
electrodo de grafito, así se evidencia en la disminución del valor del ángulo de fase hasta 25°
y posteriormente un aumento en el ángulo de fase relacionado con procesos difusivos. En
esta figura también se observa el comportamiento del blanco de PEDOT el cual tiene una
disminución hasta 30° en el valor de fase a bajas frecuencias, a diferencia del blanco de Ppy
y un aumento en su impedancia.
En el blanco de pasos se observa un comportamiento de aumento en los valores de la fase,
por lo cual se puede inferir un comportamiento más capacitivo con respecto a los otros dos
blancos y un crecimiento menor en sus valores de impedancia.
En la Figura 62 las líneas continuas indican los datos ajustados al modelo del circuito
equivalente eléctrico propuesto en la Figura 68, para representar el comportamiento
electroquímico de los electrodos obtenidos.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 141
Figura 67. Diagrama de Bode de los blancos de Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy, Z mod (0V),
Fase (0V) Vs. Frecuencia.
Fuente: Elaboración propia del autor
Los diagramas de impedancia indican por lo menos dos mecanismos que ocurren durante el
tiempo de exposición en la solución de prueba PBS, el primero se debe a las características
eléctricas de la película compuesta con los diferentes polímeros (Ppy- Q, PEDOT- Q,
PEDOT-Ppy- Q,) esto se visualiza en el diagrama de Nyquist por la formación de un
semicírculo a altas frecuencias como se aprecia en la Figura 68, la parte del semicírculo
corresponde al proceso limitado de transferencia de carga y un segundo mecanismo a más
bajas frecuencia, relacionado con la trasferencia de masa seguido de un proceso difusivo, el
cual se manifiesta por una línea recta con ángulo que se acerca a 45° a muy bajas
frecuencias. Este hecho indica que hay un proceso de difusión de los iones del electrolito a
través de la matriz polimérica compuesta (Ppy-Q/EG; PEDOT-Q/EG; PEDOT-Ppy-Q/EG). El
diámetro del semicírculo es igual a la resistencia de transferencia de carga Rtc.
El blanco de Ppy-Q/EG presentó un semicírculo más definido y de mayor diámetro con
respecto a los otros dos blancos indicando mayor resistencia a la transferencia de carga. El
blanco de PEDOT-Q/EG presentó un semicírculo muy pequeño, casi imperceptible donde se
aprecia una línea recta y un proceso difusivo mayor que en el blanco de Ppy-Q/EG, PEDOT-
Capítulo 4. Resultados y Discusión 142
Ppy-Q/EG, este último presenta dos semicírculos, uno en altas frecuencias y otro en
frecuencias medias relacionados con la trasferencia de carga en la superficie del electrodo
de grafito y a bajas frecuencias a procesos difusivos.
Figura 68.Diagrama de Nyquist para los Blancos de Ppy, PEDOT, PEDOT-Ppy Zreal Vs. –
Zimg (ohm).
Fuente: Elaboración propia del autor
La relación de los datos obtenidos experimentalmente de la prueba electroquímicas de
impedancia (EIE) en solución PBS para los blancos de los polímeros y su circuito eléctrico
equivalente (CEE) proporciona una caracterización de posibles mecanismos presentes en el
sistema del electrodo de grafito modificado por los polímeros estudiados. El circuito
equivalente para el blanco de Ppy está compuesto de una resistencia Rs que corresponde a
la resistencia de la solución PBS, seguido de dos circuitos RC en paralelo que representan
cada una de las constantes de tiempo; Ccoat= CPpy-Q, un elemento de fase constante de la
película compuesta polipirrol-quitosano (Ppy-Q) /electrolito, Rcoat=RPpy-Q, la resistencia al
transporte de carga de la película Ppy-Q, y el circuito interno donde Cdl es un elemento de
fase constante asociado a la doble capa electroquímica cargada con los electrones
provenientes EG/Ppy-Q y Rcorr=Rtc la resistencia a la transferencia de carga a través de la
interfase electrodo recubrimiento y la impedancia de Warburg del polímero, en los circuitos
Capítulo 4. Resultados y Discusión 143
se utilizan elementos de fase constante en lugar de capacitores, para así tomar en cuenta la
rugosidad y porosidad de la superficie del electrodo y de la matriz polimérica compuesta.
El circuito equivalente del blanco de PEDOT está compuesto de una resistencia Rs que
corresponde a la resistencia de la solución PBS, seguido de un circuito RC en paralelo que
representan una de las constantes de tiempo; Ccoat= CPEDOT-Q, un elemento de fase constante
de la película compuesta PEDOT-quitosano (PEDOT-Q) /electrolito, Rcoat=RPEDOT-Q, la
resistencia al transporte de carga de la película PEDOT-Q, y la impedancia de Warburg del
polímero, en los circuitos se utilizan elementos de fase constante en lugar de capacitores,
para así tomar en cuenta la rugosidad y porosidad de la superficie del electrodo y de la
matriz polimérica compuesta.
El circuito equivalente del blanco de PEDOT-Ppy se observa un comportamiento muy similar
al blanco de Ppy con la diferencia que en su elemento de Warburg para el blanco de Ppy se
representa su comportamiento con una resistencia de Warburg abierta lo cual indica que la
difusión se presenta en la matriz polimérica hasta llegar a la superficie el EG, mientras que la
resistencia Warburg para el blanco de PEDOT-Ppy es cerrada lo cual indica que la difusión
se presenta solo en la matriz polimérica.
De la simulación de los circuitos eléctricos equivalentes mediante el software Zview® se
encontraron los valores de capacitancia y de resistencia que describen eléctricamente las
diferentes interfaces presentes en los sistemas, los datos que se obtienen se muestran en
sus respectivas tabla (Tabla 14).
Figura 69. Circuitos eléctricos equivalentes para a) Ppy, b) PEDOT, c) PEDOT-Ppy
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 144
Tabla 14. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
Ppy-Q, PEDOT-Q y PEDOT-Ppy-Q.
Muestra
Blancos R
s
(Ω
)
Cco
at_
(F.
)
Rco
at_
(Ω
)
n
Cd
l (F
.
)
N
Rtc
(Ω
)
Zw
(Ω
)
N
Ch
i-S
qu
ared
Ppy 114,1 240E-06 872,5 0,59015 623E-06 0,2672 24182 98,05 0.2264 0,00032195
PEDOT 191,4 950E-06 26,33 0,56962 N/A N/A N/A 203 0,40539 0,00051782
PASOS 122,1 7,06E-05 66,74 0,76245 6,3634E-05 0,84109 122,9 3200 0,43484 0,0036924
* Muestra en PBS pH 7,4 después del baño (DB) con ácido sulfúrico H2SO4, sin * AB.
Fuente: Elaboración propia del autor
De acuerdo a la tabla anterior y a los valores obtenidos desde el modelo del CEE la Rtc es
mayor para el blanco de Ppy y es menor para el blanco de la copolimerización donde están
presentes los dos polímeros PEDOT-PPY electrodos denominados pasos. Un valor menor
de Rtc sugiere una superficie más reactiva en comparación con las otras dos muestras. Al
tener en cuenta los valores de Ccoat y si tenemos en cuenta que la capacitancia es
dependiente del potencial esto nos daría mayor actividad química superficial de las
muestras. En este caso los valores de capacitancia Ccoat=CPEDOT son menores para el blanco
PEDOT sugiere un sistema capacitivo más estable, sin embargo las diferencias con Ppy no
son considerables. El valor Ccoat=CPEDOT-PPy del EG modificado por pasos con los dos
polímeros fue mayor, no presentando buena estabilidad capacitiva en comparación con los
otros dos electrodos.
También se pudo evidenciar de la fase n del EPCcoat que el valor es mayor para el Ppy lo
cual concuerda con el análisis de rugosidad AFM y con las imágenes SEM, donde la
morfología y topografía de Ppy es más porosa y rugosa comparada con la morfología del EG
modificado con PEDOT. Por último el valor de n aumenta para el EG modificado con
PEDOT-PPy lo cual sugiere una superficie más lisa que las otras dos. Igualmente el n
obtenido del ajuste en los elementos resistivos de más baja frecuencia, indica que el sistema
PEDOT-PPy presentó mejor integración de los componentes y con el grafito (mayor valor de
n).
Debido a esta difusion de iones fue presentada a bajas frecuencias, este comportamiento se
asemeja mas al de un capacitor,donde Zreal disminuye y zimaginaria incrementa,esto es por
parte de los elementos que maneja o utiliza ZView en este caso se utilizó Wo para realizar el
modelo de circuito equivalente (CEE).
Capítulo 4. Resultados y Discusión 145
4.4.2 Análisis EIE electrodos Ppy
En la Figura 70 se presentan los diagramas de Bode y Nyquists respectivamente, para los
electrodos de Ppy a diferentes concentraciones de nanotubos, los datos en forma de
diagrama de Bode (Zmod Vs Frecuencia) para los tres electrodos de Ppy, revelan
claramente la presencia de al menos dos constantes de tiempo (cambios de pendiente), una
a alta y otra a baja frecuencias, donde la última evidencia la formación de una doble capa
electroquímica. Para el electrodo 1 de Ppy en la Figura 70 a. se presenta el diagrama de
Bode antes y después del baño con H2SO4 en el cual (Fase Vs Frecuencia) para Fase AB se
observa un ángulo cercano a los 34° que disminuye hasta 22,5°. Cuando disminuye la
frecuencia (frecuencias medias y bajas) la impedancia aumenta, esto se asocia a la
capacitancia de la doble capa electroquímica en la interfase electrodo-película compuesta
(MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG) y la resistencia de transferencia de carga Rtc en la
superficie del electrodo de grafito, donde se muestra para la fase después del baño un
corrimiento hacia a las bajas frecuencias lo cual indica un comportamiento más resistivo, lo
cual estará relacionado con un incremento en la afinidad fisicoquímica del electrodo.
En la Figura 70 b. se presenta el diagrama de Nyquist, donde se observa un semicírculo
más definido y de mayor diámetro para el electrodo AB con respecto al electrodo DB, lo que
indica que después del baño la Rtc disminuye, debido a la extracción que se realizó de la
proteína BSA.
Para el electrodo 2 de Ppy en la Figura 70 c. se presenta el diagrama de Bode fase antes y
después del baño con H2SO4, en el cual Fase AB Ppy 2 se observa que el ángulo de fase
aumenta hasta 25°, cuando disminuye la frecuencia (frecuencias medias y bajas) la
impedancia aumenta para el electrodo AB esto se asocia a la capacitancia de la doble capa
electroquímica en la interfase electrodo-película compuesta (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG)
y la resistencia de transferencia de carga Rtc en la superficie del electrodo de grafito,
después del baño este aumento se da solo a muy bajas frecuencias, asociado también a la
interfase electrodo-película compuesta, también se muestra que para la fase después del
baño hay un corrimiento hacia a las bajas frecuencias lo cual indica un comportamiento más
resistivo del electrodo, esto está relacionado con las interacciones electroestáticas y
electroquímicas entre la matriz polimérica compuesta, cargas iónicas y proteínas presentes
en la solución de PBS, en la Figura 70 d. se presenta el diagrama de Nyquist donde se
Capítulo 4. Resultados y Discusión 146
observa un semicírculo más definido y de mayor diámetro para el electrodo AB con respecto
al electrodo DB, lo que indica que después del baño la Rtc disminuye y corrobora la
extracción que se realizó de la proteína BSA, dejando las vacancias disponibles para censar
a diferentes concentraciones.
Para el electrodo 3 de Ppy en la Figura 70 e. se presentó un comportamiento similar.
Se presenta el diagrama de Nyquist donde se observa un semicírculo de diámetro menor
comparado con los anteriores electrodos y a su vez con el electrodo DB, lo que indica que
después del baño la Rtc disminuye, debido a la extracción que se realizó de la proteína BSA,
también se observa que DB se presenta un corrimiento hacia la izquierda.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 147
Figura 70. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo circuito
eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de Ppy a diferentes
concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico (H2SO4).
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 148
Los circuitos equivalentes para cada uno de los electrodos de Ppy se muestran en la Figura
70. En todos los circuitos de los electrodos de Ppy están compuestos de una resistencia Rs
que corresponde a la resistencia de la solución PBS, seguido de dos circuitos RC en paralelo
que representan cada una de las constantes de tiempo; Ccoat= CPpy-Q/MWCNTs/BSA, un elemento
de fase constante de la película compuesta (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG) /electrolito,
Rcoat=RPpy-Q/MWCNTs/BSA, la resistencia al transporte de carga de la película compuesta y el
circuito interno donde Cdl es un elemento de fase constante asociado a la doble capa
electroquímica cargada con los electrones provenientes EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy y
Rcorr=Rtc la resistencia a la transferencia de carga a través de la interfase electrodo
recubrimiento EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy y la impedancia de Warburg del polímero, en
los circuitos se utilizan elementos de fase constante en lugar de capacitores, para así tomar
en cuenta la rugosidad y porosidad de la superficie del electrodo y de la matriz polimérica
compuesta.
Para el electrodo 1 Ppy el circuito AB se diferencia en el circuito DB, en que el primero
presenta un proceso difusivo representado por una resistencia Warburg, asociado a la
difusión de iones del electrolito y proteína presentes en la solución de PBS, esta resistencia
de Warburg para este circuito AB es abierta lo cual indica que la difusión no solo se da en la
matriz polimérica, si no que llegan hasta la superficie del electrodo de grafito.
Para el electrodo 2 de Ppy Figura 71 c-d, los circuitos equivalentes son similares AB y DB,
donde varios de sus valores cambian considerablemente, en especial el valor de resistencia
de transferencia de carga (Rcorr=Rtc), el cual presenta un valor mayor en el electrodo DB con
respecto al valor AB.
Para el electrodo 3 de Ppy Figura 71 e-f, los circuitos equivalentes son similares AB y DB,
solo cambian los valores de resistencia de transferencia de carga (Rcorr=Rtc), donde el
electrodo DB presenta un valor menor que el electrodo AB, lo cual es consecuencia del
extracción de la BSA con el baño de H2SO4 Los resultados del ajuste de los datos obtenidos
en los espectros de impedancia se presentan en la Tabla 15.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 149
Figura 71. Circuitos equivalentes a los electrodos de PPy antes del baño (AB) y después
del baño (DB) con H2SO4 respectivamente, a) y b) Electrodo 1 Ppy, c) y d) Electrodo 2 Ppy,
e) y f) Electrodo 3 Ppy.
a) AB b) DB
c) AB d) DB
e) AB f) DB
Fuente: Elaboración propia del autor
Tabla 15. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
Ppy-Q antes y después del baño con H2SO4.
Muestra
con
%p/p de
MWCNT
s-
NH2(AB
y DB)
Rs
(Ω
)
Cp
py
(F.
)
Rp
py
_cn
t
(Ω
)
N
Cd
l (F
.
)
n
Rtc
(Ω
)
Zw
(Ω
)
n
Ch
i-S
qu
ared
Ppy 114,1 240E-06 872,5 0,59015 623E-06 0,2672 24182 98,05 0.2264 0,00032195
2mg 147,4 770E-06 1783 0,61675 16150E-06 1,197 694,2 3245 0,30558 0,00020857
2mg* 139,8 1830E-06 75,33 0,55795 980E-06 0,76769 914,6 N/A N/A 0,001252
4mg 146,7 760E-06 1191 0,47812 2,879E-06 -0,51119 11331 N/A N/A 0,00072101
4mg* 136,5 4160E-06 86,46 0,33506 7730E-06 0,6923 1711 N/A N/A 0,0010049
6mg 591,3 420E-06 4395 0,52198 1200E-06 0,69242 8461 N/A N/A 0,00020383
6mg* 43,973 1,62E-06 47599 0,0019117 11300E-06 0,65592 5884 N/A N/A 0,0021333
* Muestra en PBS pH 7,4 después del baño (DB) con ácido sulfúrico H2SO4, sin * AB.
Fuente: Elaboración propia del autor
De acuerdo a la tabla anterior, los valores obtenidos desde el modelo del CEE para Rtc a
medida que se aumentó la concentración de nanoestructuras disminuyen y también después
de haber realizado el baño con H2SO4, excepto para la muestra de 2 mg la cual no
disminuye Rtc DB. Un valor menor de Rtc sugiere una superficie más reactiva en
comparación con la muestra de menor cantidad de nanoestructuras (2mg) y con respecto a
Capítulo 4. Resultados y Discusión 150
las vacancias que se genera en la matriz polimérica compuesta después del baño dejando
más sitios activos y de afinidad con la proteína BSA, con el probable empleo del electrodo
modificado como sensor. Al tener en cuenta los valores de CPpy siendo la capacitancia
dependiente del potencial, da como resultado una mayor actividad química superficial de las
muestras. En este caso al aumentar la cantidad de nanoestructuras los valores de
capacitancia CPpy disminuyen. Luego del baño en HsSO4, los valores CPpy aumentan con
excepción de la muestra de 6mg*. También se pudo evidenciar que el valor de fase n de la
capacitancia EPC Ppy que el valor aumento para las muestras con mayor cantidad de
nanotubos de carbono AB. En los electrodos DB el valor de n disminuyo con el incremento
del contenido de nanoestructuras.
4.4.3 Análisis EIE electrodos PEDOT
En la Figura 72 se presentan los diagramas de Bode y Nyquists respectivamente, para los
electrodos de PEDOT a diferentes concentraciones de nanotubos (MWCNTs), los datos en
forma de diagrama de Bode modulo para los tres electrodos de PEDOT, con diferentes
concentraciones de nanotubos de carbono, muestran la presencia de al menos dos
constantes de tiempo (cambios de pendiente), una a alta y otra a baja frecuencias, la última
evidencia la formación de una doble capa electroquímica, para el electrodo 1 de PEDOT en
la Figura 72 a. se presenta el diagrama de Bode antes y después del baño con H2SO4 en el
cual (Fase Vs Frecuencia) para Fase AB se observa un ángulo cercano a los 60°, lo cual se
presenta en frecuencias bajas. Cuando disminuye la frecuencia (frecuencias medias y bajas)
la impedancia aumenta, esto se asocia a la capacitancia de la doble capa electroquímica en
la interfase electrodo-película compuesta (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT/EG) y la
resistencia de transferencia de carga Rtc en la superficie del electrodo de grafito, donde se
muestra para la fase después del baño un corrimiento hacia a las bajas frecuencias lo cual
indica un comportamiento más resistivo. En la Figura 72 b. se presenta el diagrama de
Nyquist, donde se observa un semicírculo más definido y de mayor diámetro para el
electrodo AB con respecto al electrodo DB, lo que indica que después del baño la Rtc
disminuye, debido a la extracción que se realizó de la proteína BSA.
Para el electrodo 2 y 3 de PEDOT en la Figura 72 c, d, e y f, se presentó un comportamiento
similar al anterior.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 151
Figura 72. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo circuito
eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de PEDOT a diferentes
concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico (H2SO4).
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 152
Los circuitos equivalentes para cada uno de los electrodos de PEDOT se muestran en la
Figura 73. En todos los circuitos de los electrodos de PEDOT están compuestos de una
resistencia Rs que corresponde a la resistencia de la solución PBS, seguido de dos circuitos
RC en paralelo que representan cada una de las constantes de tiempo; Ccoat= CPEDOT-
Q/MWCNTs/BSA, un elemento de fase constante de la película compuesta (MIPs/Q/MWCNTs-
NH2/PEDOT/EG) /electrolito, Rcoat=RPEDOT-Q/MWCNTS/BSA, la resistencia al transporte de carga
de la película compuesta y el circuito interno donde Cdl es un elemento de fase constante
asociado a la doble capa electroquímica cargada con los electrones provenientes
EG/PEDOT-Q/MWCNTS/BSA y Rcorr=Rtc la resistencia a la transferencia de carga a través
de la interfase electrodo recubrimiento EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT y la impedancia
de Warburg del polímero, en los circuitos se utilizan elementos de fase constante en lugar de
capacitores, para así tomar en cuenta la rugosidad y porosidad de la superficie del electrodo
y de la matriz polimérica compuesta.
Los circuitos AB y DB son similares para el electrodo 1 PEDOT, donde se en ambos casos
se presenta un proceso difusivo representado por una resistencia Warburg, asociado a la
difusión de iones del electrolito y proteína presentes en la solución de PBS, esta resistencia
de Warburg abierta indica que la difusión no solo se da en la matriz polimérica, si no que
llegan hasta la superficie del electrodo de grafito.
Para el electrodo 2 de PEDOT Figura 73 c-d, los circuitos equivalentes son diferentes AB y
DB, en el primer proceso se encuentra el elemento de fase constante acompañado de una
resistencia Warburg abierta, lo cual indica que AB hay un proceso difusivo que no solo se da
en la matriz polimérica si no que estas interacciones llegan hasta la superficie del electrodo
de grafito, DB es representado por un circuito de un elemento de fase constante donde no se
evidencia un proceso difusivo.
Para el electrodo 3 de PEDOT Figura 73 e-f, los circuitos equivalentes son diferentes AB y
DB, y el valor de resistencia de transferencia de carga (Rcorr=Rtc) DB es mucho mayor que
AB, lo cual es consecuencia del extracción de la BSA con el baño de H2SO4.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 153
Figura 73. Circuitos equivalentes a los electrodos de PEDOT antes del baño (AB) y
después del baño (DB) con H2SO4 respectivamente, a) y b) Electrodo 1 PEDOT, c) y d)
Electrodo 2 PEDOT, e) y f) Electrodo 3 PEDOT.
a) AB b) DB
c) AB d) DB
e) AB f) DB
Fuente: Elaboración propia del autor
Tabla 16. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
PEDOT-Q antes y después del baño con H2SO4.
Muestra
con
%p/p de
MWCN
Ts-
NH2(AB
y DB)
Rs
(Ω
)
CP
ED
OT
(F.
)
RE
DO
T
(Ω
)
N
Cd
l (F
.
)
n
Rtc
(Ω
)
Zw
(Ω
)
n
Ch
i-S
qu
are
d
PEDOT 191,4 950E-06 26,33 0,56962 N/A N/A N/A 203 0,40539 0,00051782
2mg 168,5 1480E-06 69,27 0,56262 N/A N/A N/A 340,6 0,46042 0,00076984
2mg* 161,5 4850E-06 88,76 0,5537 N/A N/A N/A 3788 0,77044 0,0019603
4mg 151,6 1040E-06 2476 0,55566 N/A N/A N/A 1724 0,49745 0,00082911
4mg* 291,4 1620E-06 57,72 0,8045 3840E-06 0,81281 1268 N/A N/A 0,0060193
6mg 138,2 1,9128E-05 26,96 0,73255 520E-06 0,9975 156,3 23502 0,53555 0,00089601
6mg* 138,6 1400E-06 396,5 0,55662 1270E-06 0,83244 1546 N/A N/A 0,0010342
* Muestra en PBS pH 7,4 después del baño (DB) con ácido sulfúrico H2SO4, sin * AB.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 154
De acuerdo a la anterior tabla, los valores obtenidos desde el modelo del circuito eléctrico
equivalente, la Zw aumento para todos los casos AB, para los valores de Rtc en el caso del 6
mg* aumento, Un valor menor de Rtc sugiere una superficie más reactiva en comparación
con la muestra de menor cantidad de nanoestructuras (2 mg).
Los valores de capacitancia CPPy para después del baño fueron más pequeños con
respecto a los de AB, la cual, es dependiente del potencial, dando mayor actividad química
superficial de las muestras, en este caso la de 2 mg* ,4 mg* y 6mg presentó un
comportamiento resistivo más estable respectivamente. También se pudo evidenciar desde
el valor de fase n del EPC PEDOT que este valor disminuye DB para las muestras de 2 mg* y 6
mg*, en la de 4 mg* aumenta n DB, infiriendo menores homogeneidades que perturban la
transferencia de carga. Para las muestras AB el valor de n aumento casi en todas las
muestras.
4.4.4 Análisis EIE electrodos Pasos (PEDOT-Ppy)
En la Figura 74 se muestran los diagramas de Bode y Nyquists respectivamente, para los
electrodos de Pasos (PEDOT-Ppy) a diferentes concentraciones de nanotubos (MWCNTs),
los datos en forma de diagrama de Bode modulo para los tres electrodos de Pasos, revelan
claramente la presencia de al menos dos constantes de tiempo (cambios de pendiente), una
a alta y otra a baja frecuencias, la última evidencia la formación de una doble capa
electroquímica, para el electrodo 1 de Pasos en la Figura 74 a. se presenta el diagrama de
Bode fase antes con H2SO4 en el cual (Fase Vs Frecuencia) para Fase AB se observa un
ángulo de fase cercano a los 70°, lo cual se presenta en altas frecuencias, esto indicó un
comportamiento más capacitivo, este diagrama no se pudo obtener para DB ya que se
presentó filtración interna de la solución de prueba PBS al interior del electrodo o una
degradación de la superficie de la matriz polimérica lo que interfirió en la obtención de los
datos DB. En la figura 69 b. se presenta el diagrama de Nyquist, donde se observa un círculo
definido y de diámetro muy grande para el electrodo AB asociado a la Rtc en la superficie del
EG.
Para el electrodo 2 de Pasos en la Figura 74 c. se presenta el diagrama de Bode fase antes
y después del baño con H2SO4, en el cual Fase AB Pasos 2 se observa que el ángulo de fase
aumenta hasta 27,5° cuando disminuye la frecuencia (frecuencias medias y bajas) la
Capítulo 4. Resultados y Discusión 155
impedancia aumenta para el electrodo AB esto se asocia a la capacitancia de la doble capa
electroquímica en la interfase electrodo-película compuesta y la resistencia de transferencia
de carga Rtc en la superficie del electrodo de grafito, después del baño (DB) se presenta un
corrimiento hacia las bajas frecuencias, lo cual indica un comportamiento más capacitivo del
electrodo 2 Pasos, esto está relacionado con las interacciones electroestáticas y
electroquímicas entre la matriz polimérica compuesta, cargas iónicas y proteínas presentes
en la solución de PBS.
En la Figura 74 d. se presenta el diagrama de Nyquist donde se observa un semicírculo al
inicio de cada electrodo, asociado a la resistencia de transferencia de carga Rtc en la
superficie del EG, sin embargo el electrodo AB es mucho menos resistivo que el de DB, a
pesar de haber realizado la extracción de la proteína BSA, además este electrodo presentó
un corrimiento hacia la derecha con respecto al electrodo AB lo cual puede indicar procesos
de reducción de especies en la matriz polimérica compuesta.
Para el electrodo 3 de Pasos en la Figura 74 e. se presenta el diagrama de Bode fase antes
y después del baño con H2SO4, en el cual Fase AB Pasos se observa que el ángulo de fase
aumenta hasta 40° en medianas frecuencias y un segundo aumento hasta 40° en bajas
frecuencias, cuando disminuye la frecuencia (frecuencias medias y bajas) la impedancia
aumenta para el electrodo AB esto se asocia a la capacitancia de la doble capa
electroquímica en la interfase electrodo-película compuesta (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT-
Ppy) y la resistencia de carga Rtc en la superficie del electrodo de grafito, y después del baño
este aumento también se da a muy bajas frecuencias y en un mismo ángulo de fase ,
asociado también a la interfase electrodo-película compuesta, también se muestra que para
la fase después del baño hay un corrimiento hacia a las bajas frecuencias lo cual indica un
comportamiento más capacitivo, esto está relacionado con las interacciones electroestáticas
y electroquímicas.
En la Figura 74 f. se presenta el diagrama de Nyquist donde se observa un semicírculo de
diámetro menor comparado con los anteriores electrodos y a su vez con el electrodo DB, lo
que indica que después del baño la Rtc disminuye, debido a la extracción que se realizó de
la proteína BSA y se observa un corrimiento hacia la izquierda en el electrodo DB esto se
asocia a posibles procesos de oxidación de componentes presentes en la matriz polimérica
compuesta.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 156
Figura 74. a),c),e) Diagramas de Bode antes y después del baño, con su respectivo circuito
eléctrico equivalente; b),d), f) Nyquist para los electrodos de Pasos (PEDOT-Ppy) a
diferentes concentraciones (2,4,6 mg.) después del baño en ácido sulfúrico (H2SO4).
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 157
Los circuitos equivalentes para cada uno de los electrodos de Pasos (PEDOT-Ppy) se
muestran en la Figura 75.
En todos los circuitos de los electrodos de Pasos están compuestos de una resistencia Rs
que corresponde a la resistencia de la solución PBS, seguido de dos circuitos RC en paralelo
que representan cada una de las constantes de tiempo; Ccoat= CPasos-Q/MWCNTs/BSA, un elemento
de fase constante de la película compuesta (Pasos-Q/MWCNTs/BSA/EG)/electrolito,
Rcoat=RPasos-Q/MWCNTs/BSA, la resistencia al transporte de carga de la película compuesta y el
circuito interno donde Cdl es un elemento de fase constante asociado a la doble capa
electroquímica cargada con los electrones provenientes EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Pasos y
Rcorr=Rtc la resistencia a la transferencia de carga a través de la interfase electrodo
recubrimiento EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Pasos y la impedancia de Warburg del polímero,
en los circuitos se utilizan elementos de fase constante en lugar de capacitores, para así
tomar en cuenta la rugosidad y porosidad de la superficie del electrodo y de la matriz
polimérica compuesta.
El circuito AB para el electrodo 1 Pasos, se representa por un circuito RC en paralelo, Ccoat =
CPasos elemento de fase constante y Rcoat=RPasos-Q/MWCNTs/BSA que representa la resistencia de
la matriz polimérica compuesta. El electro DB presento daños y filtraciones internas por lo
cual no se pudo obtener datos experimentales para esta prueba.
Para el electrodo 2 de Pasos Figura 75 b-c, los circuitos equivalentes son diferentes AB y
DB, para AB el circuito eléctrico equivalente se presentan dos circuitos RC en paralelo,
Ccoat= CPasos-Q/MWCNTs/BSA, un elemento de fase constante de la película compuesta (Pasos-
Q/MWCNTS/BSA/EG) /electrolito, Rcoat=RPasos-Q/MWCNTs/BSA, la resistencia al transporte de
carga de la película compuesta y el circuito interno donde Cdl es un elemento de fase
constante asociado a la doble capa electroquímica cargada con los electrones provenientes
EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Pasos y Rcorr=Rtc la resistencia a la transferencia de carga a
través de la interfase electrodo recubrimiento EG/MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Pasos y la
impedancia de Warburg del polímero, en los circuitos se utilizan elementos de fase constante
en lugar de capacitores, para así tomar en cuenta la rugosidad y porosidad de la superficie
del electrodo y de la matriz polimérica compuesta.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 158
Después del baño se presentó casi el mismo circuito, con la diferencia que aparece una
impedancia de Warburg Wo asociado a procesos difusivos de iones y proteína presentes en
la PBS difusión que puede darse hasta la superficie del EG.
Así como también puede significar algunos efectos galvanostaticos en la superficie del
electrodo generado por las vacancias que deja la remoción de la BSA después del baño.
Para el electrodo 3 de Pasos Figura 75 d-e, los circuitos equivalentes son similares AB y
DB, en ambos el elemento de fase constante Ccoat= CPasos-Q/MWCNTs/BSA, está acompañado por
una resistencia Warburg abierta Wo lo cual indica que el proceso difusivo no solo se da en la
matriz polimérica sino que también se da en la superficie del electrodo de grafito, lo cual
puede estar asociado y consecuencia de la remoción de la BSA con el baño de H2SO4.
Además de posibles efectos de superficie que generen algún efecto galvanostatico.
Figura 75. Circuitos equivalentes a los electrodos de PEDOT-Ppy antes del baño (AB) y
después del baño (DB) con H2SO4 respectivamente.
a) AB
b) AB c) DB
d) AB e) DB
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 159
Tabla 17. Valores de capacitancias y resistencia de las interfaces del EG modificado con
PEDOT-Ppy-Q antes y después del baño con H2SO4.
Muestra
con
%p/p de
MWCN
Ts-
NH2(AB
y DB) Rs
(Ω
)
CP
AS
OS
(F.
)
RP
AS
OS
(Ω
)
n
Cd
l (F
.
)
n
Rtc
(Ω
)
Zw
(Ω
)
n
Ch
i-S
qu
are
d
PASOS 122,1 7,06E-05 66,74 0,76245 6,3634E-05 0,84109 122,9 3200 0,43484 0,0036924
2mg 9838 3,6174E-11 3,254E05 1,025 N/A N/A N/A N2/A N/A 0.0060367
2mg* N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A
4mg 404,7 1080E-06 306,9 0,35393 1510E-06 0,68723 4765 N/A N/A 0,00064573
4mg* 1124 4330E-06 3239 0,4476 4970E-06 0.46377 61,26 9,053 0,27242 0.00018112
6mg 226,9 1120E-06 53,64 0,44115 N/A N/A N/A 211,8 0,37002 0,00015497
6mg* 156,2 240E-06 8,951 0,55422 N/A N/A N/A 82.63 0,30354 0.0081663
* Muestra en PBS pH 7,4 después del baño (DB) con ácido sulfúrico H2SO4, sin * AB.
Fuente: Elaboración propia del autor
De acuerdo a la anterior tabla, los valores obtenidos desde el modelo del circuito eléctrico
equivalente, la Rtc disminuyó para la muestra de 4 mg* DB con H2SO4. Un valor menor de
Rtc sugiere una superficie más reactiva de mayor actividad química superficial de la muestra,
en este caso la de 4 mg* presentó un comportamiento resistivo más estable con respecto a
la muestra AB su valor CPEDOT es menor. Para la muestra electrodo 3 de pasos con 6 mg el
valor Zw fue menor DB con H2SO4, esto indica que el valor CPEDOT fue mayor después del
baño DB para 6mg* lo cual nos da información que la muestra es menos estable
capacitivamente después del baño DB con H2SO4.
4.5 Respuesta Electroquímica de MIPs/Q/X/EG
Bajo las condiciones experimentales optimas se realizaron las pruebas DPV de
MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG, MIPs/Q/ MWCNTs-NH2/PEDOT/EG y MIPs/Q/ MWCNTs-
NH2/PEDOT-PPY/EG, se registraron con 0.10 milimolar (mM) de [Fe(CN)6]3-/4- como prueba
electroquímica, como se muestra en el siguiente análisis.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 160
4.5.1 Análisis de Voltametria de pulso diferencial (DPV)
electrodos Ppy
En la Figura 76 se observó el pico de corriente de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PPY/EG, el
pico de corriente de las pruebas DPV de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo1PPY/EG
decrece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-4 M a 10-9 M de BSA (Figura 77 a) .Lo cual está relacionado con el rechazo de
BSA y bloqueo de las cavidades que quedan expuestas DB en la matiz polimérica
compuesta, sin que se dé la evidencia de difusión.
Este electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente I y el
logaritmo de la concentración de BSA con un amplio rango lineal desde 10-4 M a10-9 M
(Figura 77 b) (R=0.8839), la ecuación de la regresión lineal es la expuesta en la Tabla 18.
El pico de corriente de las pruebas DPV de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo2Ppy/EG
crece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-6 M a 10-9 M (Figura 77 b). Lo cual está relacionado con la afinidad de BSA y
libertad de las cavidades que quedan expuestas DB en la matriz polimérica compuesta,
presentándose difusión en los moldes expuestos. Este electrodo muestra una relación lineal
entre los cambios de la respuesta en corriente I y el logaritmo de la concentración de BSA
con un amplio rango lineal de 10-6 M a 10-9 M de BSA (Figura 77 c) (R=0.9163).
El pico de corriente de las pruebas DPV de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo3Ppy/EG
decrece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-3 M a 10-6 M (Figura 77 c). Lo anterior está relacionado con el rechazo de BSA y
bloqueo de las cavidades que quedan expuestas DB en la matiz polimérica compuesta, sin
que se dé evidencia de difusión. Este electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios
de la respuesta en corriente I y el logaritmo de la concentración de BSA con un pequeño
rango lineal de 10-3 M a 10-6 M (Figura 77 d) (R=0.8287).
Capítulo 4. Resultados y Discusión 161
Figura 76. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de BSA
para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Ppy/EG). a) Electrodo 1 de Ppy, b) Electrodo
2 de Ppy, c) Electrodo 3 de Ppy.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 162
Figura 77. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-NH2/Ppy/Q/GE) para
diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10 mM de [Fe (CN)6]3-/4- a) Blanco Ppy,
b) Electrodo 1 de Ppy, c) Electrodo 2 de Ppy, d) Electrodo 3 de Ppy.
Fuente: Elaboración propia del autor
De los valores de pendiente (Tabla 18), se infiere que a mayores valores de pendiente
mayor retención de proteína en los electrodos, en este caso el electrodo 2 Ppy presentó
mayor valor de pendiente con respecto a los otros electrodos.
Tabla 18. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos de Ppy.
Electrodos Ppy
Rango de concentración de BSA
(M)
Ecuación de regresión lineal
R
Blanco 10-3
a 10-10
Y= 2,88x+326,68 0,13186
1 10-4
a 10-9
Y= -24,98x+361,30 0,84520
2 10-7
a 10-9
Y= 14,15x+133,87 0,99959
3 10-3
a 10-6
Y= -10,35x+221,38 0,65743
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 163
4.5.2 Análisis de Voltametria de pulso diferencial (DPV)
electrodos PEDOT
Se realizaron las pruebas de voltametria de pulso diferencial (DPV) de MIPs/Q/MWCNTs-
NH2/PEDOT/EG, en los cuales se registraron con 0.10Mm [Fe(CN)6]3-/4- como prueba
electroquímica, se registran los picos de corriente de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT/EG
de las pruebas DPV (Figura 78). El MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo1PEDOT/EG crece con
el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el rango de 10-3
M a 10-7 M Figura 79 a. Lo cual está relacionado con la afinidad de BSA y de las cavidades
que quedan expuestas DB en la matriz polimérica compuesta.
Este electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente I y el
logaritmo de la concentración de BSA en un rango lineal de 10-3 M a 10-7 M (R=0.808) .La
ecuación de la regresión lineal es la expuesta en la Tabla 19.
El pico de corriente de las pruebas DPV del MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo2PEDOT/EG
crece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-3 M a 10-9 M (Figura 79 b), está relacionado con la afinidad de bsa y de las
cavidades que quedan expuestas db en la matiz polimérica compuesta. Este electrodo
exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente I y el logaritmo de la
concentración de BSA con un ancho de rango lineal de 10-3 M a 10-9 M (R=0.8977).
El pico de corriente de las pruebas DPV del MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo3PEDOT/EG
crece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-3 M a 10-10 M (Figura 79c), lo cual muestra mayor afinidad de BSA en la
solución de prueba con las cavidades que quedan expuestas DB en la matriz polimérica
compuesta. Este electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en
corriente i y el logaritmo de la concentración de BSA con un ancho de rango lineal de 10-3 m
a 10-10 m (r=0.9159) Figura 79 c. Este electrodo modificado fue uno de los que posee un
mayor rango de sensibilidad para las diferentes concentraciones de BSA, comparado con
los electrodos anteriores.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 164
Figura 78. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de BSA
para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT/EG). A) Electrodo 1 de PEDOT, b)
Electrodo 2 de PEDOT, c) Electrodo 3 de PEDOT.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 165
Figura 79. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-NH2/PEDOT/Q/GE)
para diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10 Mm de [Fe (CN)6]3-/4- ,a)
Electrodo 1 de PEDOT, b) Electrodo 2 de PEDOT, c) Electrodo 3 de PEDOT.
Fuente: Elaboración propia del autor
De los valores de pendiente de la Tabla 19 se infiere que a mayores valores de pendiente
mayor retención de proteína en los electrodos, en este caso el electrodo 1 de PEDOT
presentó mayor valor de pendiente con respecto a los otros electrodos.
Tabla 19. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos de
PEDOT.
Electrodos PEDOT
Rango de concentración de BSA (M)
Ecuación de regresión lineal
R
1 10-3
a 10-7
Y=70,076x-1,896 0,71193
2 10-3
a 10-9
Y=22,618x-10,781 0,87210
3 10-3
a 10-10
Y=18,989x+223,72 0,89904
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 166
4.5.3 Análisis de Voltametria de pulso diferencial (DPV)
electrodos Pasos (PEDOT-Ppy)
Se realizaron las pruebas de voltametría de pulso diferencial (DPV) de MIPs/Q/MWCNTs-
NH2/Pasos/EG, en los cuales se registraron con 0.10mM [Fe(CN)6]3-/4- como prueba
electroquímica picos de corriente de los MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Pasos/EG de las pruebas
DPV (Figura 80). el mips/q/mwcnts-nh2/electrodo1pasos/eg crece con el incremento de
concentraciones de bsa en la solución de prueba pbs en el rango de 10-3 m a 10-8 m Figura
81 a. lo cual está relacionado con la afinidad de bsA y de las cavidades que quedan
expuestas DB en la matriz polimérica compuesta.
Este electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente I y el
logaritmo de la concentración de BSA con un rango lineal de 10-6 M a 10-8 M (R=0.68059) .La
ecuación de la regresión lineal es la expuesta en la Tabla 20.
El pico de corriente de las pruebas DPV del MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo2Pasos/EG
crece con el incremento de concentraciones de BSA en la solución de prueba PBS en el
rango de 10-3 M a 10-6 M (Figura 81 b), está relacionado con la afinidad de bsa y de las
cavidades que quedan expuestas db en la matiz polimérica compuesta. Este electrodo
exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente i y el logaritmo de la
concentración de bsa con un ancho de rango lineal de 10-3 m a 10-6 m (r=0.97610) Figura 81
b.
El pico de corriente de las pruebas DPV del MIPs/Q/MWCNTs-NH2/Electrodo3Pasos/EG
crece con el incremento de concentraciones de bsa en la solución de prueba pbs en el rango
de 10-4 m a 10-8 m (Figura 81 c), lo cual muestra mayor afinidad de bsa en la solución de
prueba con las cavidades que quedan expuestas db en la matriz polimérica compuesta. Este
electrodo exhibe una relación lineal entre los cambios de la respuesta en corriente i y el
logaritmo de la concentración de bsa con un ancho de rango lineal de 10-4 m a 10-8 m
(r=0,95699) Figura 81 c. Este electrodo modificado fue uno de los que posee un mayor rango
de sensibilidad para las diferentes concentraciones de BSA, comparado con los electrodos
anteriores.
Capítulo 4. Resultados y Discusión 167
Figura 80. Voltagrama de pulso diferencial (DPV DB) a diferentes concentraciones de BSA
para los electrodos de (MIPs/Q/MWCNTs-NH2/PEDOT-Ppy/EG). A) Electrodo 1 de PEDOT-
Ppy, b) Electrodo 2 de PEDOT-Ppy, c) Electrodo 3 de PEDOT-Ppy.
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 168
Figura 81. Curva de calibración de la preparación de (MIPs/MWCNTs-
NH2/PEDOT/Ppy/Q/EG) para diferentes concentraciones de BSA contenidas en 0.10Mm de
[Fe (CN)6]3-/4- , a)Blanco Pasos, b)Electrodo 1 de Pasos, c) Electrodo 2 de PEDOT-Ppy, d)
Electrodo 3 de Pasos.
Fuente: Elaboración propia del autor
De los valores de pendiente (Tabla 20), se infiere que a mayores valores de pendiente
mayor retención de proteína en los electrodos, en este caso el electrodo 3 pasos presentó
mayor valor de pendiente con respecto a los otros electrodos.
Tabla 20. Concentraciones de BSA y ecuación de la regresión lineal de los electrodos por
Pasos.
Electrodos Pasos
Rango de concentración BSA (M)
Ecuación de regresión lineal
R2
Blanco 10-3
a 10-10
Y=4,414x+195,042 0,1597
1 10-6
a 10-8
Y=0,245x+11,1683 0,68059
2 10-3
a 10-6
Y=-4,2x+174,766 0,97610
3 10-4
a 10-8
Y=184,49x-357,28 0,95699
Fuente: Elaboración propia del autor
Capítulo 4. Resultados y Discusión 169
Finalizada la fase experimental y después de obtener para cada uno de los electrodos la
ecuación de regresión lineal, se puede inferir que el valor de la pendiente de la recta está
directamente ligada con la capacidad de absorción de los electrodos, esto quiere decir que la
capacidad de acumulación se define interfacialmente entre la superficie del electrodo y las
moléculas de BSA que se censaron. Luego el intercepto proporciona información importante,
ya que su valor está directamente relacionado con la capacidad de retención de cada
electrodo, en este caso es la capacidad de retener la proteína (BSA).
Teniendo en cuenta lo anterior y basado en estos datos, se hace referencia a la ecuación 5.
La cual expresa la relación entre la concentración de la proteína, y la cantidad de material
adsorbido en la superficie, con esta ecuación se puede encontrar el parámetro de adsorción
llamado Bads coeficiente de adsorción.
El Bads se relaciona con la afinidad de la proteína a ser adsorbida en la superficie del
electrodo a una temperatura, por lo tanto, se puede obtener la energía libre de adsorción,
utilizando la ecuación 5, encontrándose el valor correspondiente a la energía libre de Gibbs
(ΔG) lo cual ha permitido conocer el grado de estabilidad de los electrodos [74]. En este
proceso la adsorción de proteína solo se da en las vacancias que se generaron después del
baño en ácido sulfúrico, las cuales reconocen y tiene mayor afinidad con la BSA, con
respecto a toda el área de la matriz polimérica.
Ecuación 5.
| |
Donde
R: Constante de los gases (8.314 472. J/mol·K)
T: Temperatura ambiente (25°C)
55,5: Concentración molar de agua (moles*L)-1, la cual es usada como solvente
Bads: Coeficiente de adsorción (intercepto de la ecuación de regresión lineal)
Los resultados obtenidos mostraron que la adsorción de proteínas (BSA) es espontánea,
como se expone en la Tabla 21, es decir la superficie sólida del electrodo contiene poros, los
Capítulo 4. Resultados y Discusión 170
cuales tienen la capacidad de retener moléculas presentes en la atmósfera que lo rodea
gracias al fenómeno de adsorción.
En este caso el valor de –ΔG permitió determinar que el electrodo 3 pasos es el que
presenta mayor adsorción.
Tabla 21. Valores correspondiente a las energía libre de Gibbs
Electrodo b T (°C)
R (J/mol·K)
-ΔG
1 Ppy 361,3 25 0,845 209,316
2 Ppy 133,87 25 0,845 222,740
3 Ppy 221,38 25 0,845 154,763
1 PEDOT 1,896 25 0,845 82,871
2 PEDOT 10,781 25 0,845 139,409
3 PEDOT 223,72 25 0,845 211,876
1 Pasos 11,1683 25 0,845 109,396
2 Pasos 174,766 25 0,845 224,011
3 Pasos 357,28 25 0,845 236,733
Fuente: Elaboración propia del autor
De la tabla anterior se dedujo que los electrodos que mayor capacidad de retención de las
moléculas de BSA son los electrodos 3 PEDOT y 3 Pasos, dado que el valor reportado para
el intercepto es mayor comparado con los valores reportados para los demás electrodos,
este resultado también se sustentó en que estos dos electrodos presentan detección en todo
o en gran parte el rango experimental propuesto, para el electrodo 3 PEDOT la detección se
realiza en el rango de (10-3 a 10-10 M) y para el electrodo 3 Pasos se realiza en el rango de
(10-4 a 10-8 M), de estos dos mejores resultados se observó que el electrodo que se ajusta a
los requerimientos propuestos en esta investigación es el electro 3 de PEDOT.
Adicionalmente la inclusión de nanotubos es esencial para mejorar la conductividad y a su
ves la trasduccion de la señal, en teoría, solo con el polimero PPy/BSA o PEDOT/BSA se
podría sensar, pero tal vez la transducción de la señal no es la mejor, lo cual limita las
concentraciónes del sensor de BSA,ademas de que las nanoestructuras permiten tener
mayor área superficial en el electrodo para percibir la señal.
Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 171
5 Conclusiones y recomendaciones
5.1 Conclusiones
Se obtuvieron diferentes electrodos de material compuesto por medio de
electropolimerización con polímeros conductores y nanotubos de carbono de pared
múltiple funcionalizados. De acuerdo a los ensayos por Raman, MEB, AFM, pruebas
electroquímicas como DPV y EIE, los cuales permitieron caracterizar cada uno de los
blancos y electrodos modificados con matriz compuesta. Estos electrodos
presentaron propiedades características de los componentes individuales de PPy,
PEDOT, MWCNTs y BSA así como efectos sinérgicos, los cuales los hacen
candidatos para aplicaciones en el registro de proteínas en fluidos fisiológicos, que
cumplen una función importante en el organismo, Los resultados de este trabajo
permitirán el desarrollo de un sensor que sea empleado en la detección de suero de
albumina humana, que se relaciona directamente con los niveles de producción de
calcio y la regeneración de tejidos en el cuerpo.
Los electrodos obtenidos con nanoestructuras de carbono de 4mg, 6mg sin agitación
y 6mg bajo agitación, presentaron las mejores características de estabilidad
electroquímica y conducción eléctrica para aplicaciones como biosensores. El blanco
que presentó una mejor estabilidad electroquímica fue el de PEDOT. Para los
electrodos modificados antes del baño con H2SO4, el electrodo 1 por Pasos presentó
mayor estabilidad electroquímica, seguido del electrodo 1 PEDOT y por el electrodo 1
de Ppy. Luego del baño, el electrodo 2 de PEDOT fue el que presentó mayor
estabilidad, seguido del electrodo 2 por Pasos y del electrodo 2 de Ppy, concluyendo
que la cantidad de nanoestructuras presentes en la matriz polimérica de las
muestras, está relacionada con una mayor estabilidad electroquímica, lo cual se debe
Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 172
a que estás dentro de la matriz generan mayores puntos de afinidad con las cargas
presentes en la solución PBS empleada para caracterizarlos, lo cual se evidenció en
los resultados de las corrientes pico de los ensayos DPV .
Los resultados de la prueba DPV indican que la difusión de ferrocianuro a través de
la capa de MIP electrodepositada sobre el electrodo de grafito se ve reforzada por la
presencia de las vacancias generadas DB. Esto se corrobora con las imágenes AFM
y MEB después del baño, donde la rugosidad es indicativo de que cantidad de
proteína (BSA) que se electrodepositó en el momento que se recubre el EG, donde el
electrodo 2 y 3 de Ppy tienen mayor rugosidad, pero el electrodo 2, es el que
presentó mejor respuesta electroquímica esto puede estar relacionado, con el grosor
de la película formada sobre la superficie del electrodo (Tabla 12), para los
electrodos 1 y 3 de Ppy (Figura 76) se observa que la conductividad para cada uno
de estos electrodos decrece con el incremento de la concentración de BSA, esto está
asociado al rechazo de la proteína objetivo en las vacancias generadas después del
baño.
Para los electrodos de PEDOT los electrodos que tiene mejor respuesta
electroquímica son 1 y 3, siendo 3 el que mayor pico de corriente presenta, ya que
medida de que aumenta su concentración aumenta la corriente, lo cual indica mayor
flujo e interacción de electrones en las vacancias generadas en la matriz polimérica,
en estos electrodos se observa un comportamiento contrario a los de Ppy, debido a
que en estos electrodos en general su estructura morfológica y la forma de la matriz
polimérica juega un papel fundamental, en estos electrodos las imágenes MEB
después del baño se observan mayores poros (Figura 61) comparado con las
imágenes MEB de los electrodos de Ppy, lo cual explica su respectivo
comportamiento. Se concluye que en electrodos de Ppy no se generan tantas
vacancias como los electrodos de PEDOT. Lo cual indica que en el Ppy las vacancias
son ocupadas en gran parte por la BSA, lo cual puede generar rechazo en el
momento de censar la BSA presente en la solución PBS, a su vez esto disminuye la
conductividad de los electrodos.
Se desarrollaron dos tipos de sensores, una aplicación para dos posibles tipos de
sensores uno basado en Ppy donde a medida a que aumenta su concentración de
BSA la corriente en la pruebas de DPV disminuye y para un de PEDOT ocurre lo
Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 173
contrario, donde en este caso los electrodos de PEDOT presenta mayor estabilidad y
sensibilidad en el momento de censar, lo cual lo hace un candidato idóneo para una
aplicación tecnológica como un sensor electroquímico utilizando un marcador redox.
Este sensor puede ser utilizado para el análisis de compuestos macromoleculares
compuestos de muchas secuencias de aminoácidos (ejemplo: proteínas). El rápido
crecimiento de la proteómica (estudio a gran escala de las proteínas, en particular su
estructura y función) requiere usos de sistemas para determinación de proteínas
simples así como su cuantificación, entre ellos las BSA, entre otras que son
importantes en el diagnóstico clínico. La determinación de la concentración de estas
proteínas en fluidos corporales ayuda a diagnosticar enfermedades en sus etapas
iniciales. Por lo cual los métodos de análisis con sensores de este tipo representan
una herramienta que ofrece grandes ventajas debido a su tamaño, economía,
respuesta rápida, precisión y sensibilidad.
5.2 Recomendaciones
Para trabajos futuros es importante perfeccionar la técnica de fabricación y
seleccionar una de las dos técnicas presentadas, hace falta conocer cómo afecta el
grosor de la película electrodepositada a la sensibilidad y estabilidad del electrodo,
este aspecto se podrían realizar en un futuro para emprender investigaciones
similares o fortalecer la investigación realizada.
Los electrodos deben someterse a un entrenamiento riguroso, ya que los tipos de
interferencia que se pueden encontrar en un sistema real puede ser bastante amplios
e interferir con otras especies que se encuentren en la solución fisiológica,
presentando diferenciales de corriente pico cercanos al de la BSA en las pruebas
DPV , y no realizarse una lectura adecuada de estos proporcionaria medidas de
concentración falsas.
La sensibilidad del método basado en DPV, puede optimizarse adicionalmente
mediante el uso de matrices poliméricas compuestas usando proteínas como la BSA
para generar vacancias en zonas específicas de la matriz, lo cual crea mayor afinidad
Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 174
y sensibilidad eléctrica para poder censar analitos, como los que se encuentran en
medios biológicos. Trabajos similares en un futuro pueden estar dirigidos a la
fabricación de sistemas miniaturizados que combinen diagnósticos basados en
arreglos de sensores y suministro de fluidos, así como exploración de materiales
alternativos como sustratos de los sensores.
Bibliografía
[1] J. L. S. Román and B. P. Rojo, “Biomateriales. Aplicación a cirugía ortopédica y
traumatológica,” Univerisad Carlos III Madrid, pp. 1–2, 2010.
[2] M. Luna, Diseño y aplicación de sensores electroquímicos basados en moléculas
orgánicas conductoras. 2009.
[3] Guadalupe Sanchez, “ELECTRODOS DE PVC/TTF-TCNQ MODIFICADOS.
APLICACIÓN COMO SENSORES Y BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS.”
[4] S. L. Potos, “FUNCIONALIZACIÓN DE MATERIALES Y Universidad Autónoma de
San Luis Potosí,” no. November, 2016.
[5] D. Alonso and G. Quijano, “Instituto Universitario de Materiales de Alicante.”
[6] G. A. R. S.R. Mikkelsen, Conductometric transducers for enzyme-based biosensor.
1989.
[7] C. Bernardino and S. Cárdenas, “Tesis Doctoral Desarrollo y validación de un
sistema basado en ENFET para aplicación en Diálisis,” 2008.
[8] O. Julián and R. Torre, “SENSORES ELECTROQUÍMICOS DE ÁCIDO ASCÓRBICO
BASADOS EN ELECTRODOS MODIFICADOS CON POLIANILINAS
AUTODOPADAS.”
[9] M. C. Luna, Tesis Doctoral Diseño y Aplicación de Sensores Electroquímicos
basados en Moléculas Orgánicas Conductoras. 2008.
[10] G. G. José, “Desarrollo de biosensores enzimáticos mediante la técnica de langmuir-
blodgett. aplicación como sensores electroquímicos para la detección de
antioxidantes,” 2012.
Bibliografía 175
[11] M. J. Rivas Martínez, J. R. Ganzer, and M. L. Cosme Huertas, Aplicaciones actuales
y futuras de los nanotubos de carbono. 2007.
[12] V. Jehová and G. Velázquez, “Nanomateriales de Carbono, síntesis, funcionalización
y aplicaciones,” 2015.
[13] F. D. D. C. Rodríguez, “Introducción a los nanomateriales.,” Lect. ingería 20, p. 79,
2012.
[14] T. C. Perfecto, “Síntesis y caracterización de nanotubos de carbono y nanohilos de
silicio : Aplicaciones tecnológicas .”
[15] T. F. Otero, “Polimeros Conductores: Sintesis, Propiedades Y Aplicaciones
Electroquimicas,” Rev. Iberoam. Polímeros, vol. 4, no. 4, pp. 1–32, 2003.
[16] M. C. M., “Polimeros semiconductores como alternativa tecnologica en la proteccion
de nuestro ambiente,” Vasa, 2008.
[17] F. D. E. C. Químicas, Universidad complutense de madrid. 2010.
[18] G. Páez, “Quitina y Quitosano polímeros amigables . Una revisión de sus
aplicaciones Chitin and Chitosan friendly polymer . A review of their applications,” no.
October, 2015.
[19] R. Mexicana and I. Q. De, “PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF
CHITOSAN / CARBON,” vol. 8, no. 2, pp. 205–211, 2009.
[20] S. Kruss, A. J. Hilmer, J. Zhang, N. F. Reuel, B. Mu, and M. S. Strano, “Carbon
nanotubes as optical biomedical sensors.,” Adv. Drug Deliv. Rev., vol. 65, no. 15, pp.
1933–50, Dec. 2013.
[21] L. Reverté, B. Prieto-Simón, and M. Campàs, “New advances in electrochemical
biosensors for the detection of toxins: Nanomaterials, magnetic beads and
microfluidics systems. A review.,” Anal. Chim. Acta, vol. 908, pp. 8–21, Feb. 2016.
[22] K. Kalcher, “A new method for the voltammetric determination of nitrite,” Talanta, vol.
33, no. 6, pp. 489–494, Jun. 1986.
[23] R. . B. K.N. THOMSEN, L. KRYGER, ANALYTIC CHEMISTRY 60. 1988.
[24] S. A. W.-J. P. Hart, Analyst. 1992.
[25] J. Wang, “Electroanalysis and Biosensors,” Anal. Chem., vol. 71, no. 12, pp. 328–
332, 1999.
[26] J. Wang, “Electroanalysis and Biosensors,” Anal. Chem., vol. 71, no. 12, pp. 328–
332, 1999.
[27] J. Wang, “Modified electrodes for electrochemical detection in flowing streams,” Anal.
Bibliografía 176
Chim. Acta, vol. 234, pp. 41–48, Jan. 1990.
[28] R. P. Baldwin and K. N. Thomsen, “Chemically modified electrodes in liquid
chromatography detection: A review,” Talanta, vol. 38, no. 1, pp. 1–16, Jan. 1991.
[29] M. M. Villalba and J. Davis, “New directions for carbon-based detectors: Exploiting
the versatility of carbon substrates in electroanalysis,” J. Solid State Electrochem.,
vol. 12, no. 10, pp. 1245–1254, 2008.
[30] S. A. Kumar, P.-H. Lo, and S.-M. Chen, “Electrochemical selective determination of
ascorbic acid at redox active polymer modified electrode derived from direct blue
71.,” Biosens. Bioelectron., vol. 24, no. 4, pp. 518–23, Dec. 2008.
[31] J. Xia, X. Cao, Z. Wang, M. Yang, F. Zhang, B. Lu, F. Li, L. Xia, Y. Li, and Y. Xia,
“Molecularly imprinted electrochemical biosensor based on chitosan/ionic liquid-
graphene composites modified electrode for determination of bovine serum albumin,”
Sensors Actuators, B Chem., vol. 225, pp. 305–311, 2016.
[32] Z. Iskierko, P. S. Sharma, K. Bartold, A. Pietrzyk-Le, K. Noworyta, and W. Kutner,
“Molecularly imprinted polymers for separating and sensing of macromolecular
compounds and microorganisms,” Biotechnol. Adv., vol. 34, no. 1, pp. 30–46, 2016.
[33] P. S. Sharma, F. D. Õ. Souza, and W. Kutner, “Molecular imprinting for selective
chemical sensing of hazardous compounds and drugs of abuse,” Trends Anal.
Chem., vol. 34, pp. 59–77, 2012.
[34] S. M. Reddy, G. Sette, and Q. Phan, “Electrochimica Acta Electrochemical probing of
selective haemoglobin binding in hydrogel-based molecularly imprinted polymers,”
Electrochim. Acta, vol. 56, no. 25, pp. 9203–9208, 2011.
[35] H. Chen, Z. Zhang, L. Luo, and S. Yao, “Sensors and Actuators B : Chemical
Surface-imprinted chitosan-coated magnetic nanoparticles modified multi-walled
carbon nanotubes biosensor for detection of bovine serum albumin,” Sensors
Actuators B. Chem., vol. 163, no. 1, pp. 76–83, 2012.
[36] Y. Yoshimi, R. Ohdaira, C. Iiyama, and K. Sakai, “`` Gate effect of thin layer of
molecularly-imprinted poly ( methacrylic acid-co-ethyleneglycol dimethacrylate ),” vol.
73, pp. 3–7, 2001.
[37] V. A. Online, Y. Yoshimi, K. Sato, M. Ohshima, and E. Piletska, “imprinted polymer
grafted on an electrode for the,” 2013.
[38] T. Doctoral, “FIBRAS MULTIFUNCIONALES DE NANOTUBOS DE CARBONO :
CARACTERIZACIÓN QUÍMICO-FÍSICA Y,” 2016.
[39] L. Espectroscop, B. Descripci, D. E. L. Efecto, R. El, and C. V. Raman, “Capítulo 1:
FUNDAMENTOS DE ESPECTROSCOPÍA RAMAN,” pp. 10–34, 1930.
Bibliografía 177
[40] V. J. Lin and J. L. Koenig, “Raman studies of bovine serum albumin.,” Biopolymers,
vol. 15, no. 1, pp. 203–218, 1976.
[41] C. Peng, J. Jin, and G. Z. Chen, “A comparative study on electrochemical co-
deposition and capacitance of composite films of conducting polymers and carbon
nanotubes,” Electrochim. Acta, vol. 53, no. 2, pp. 525–537, 2007.
[42] M. Ates and a. S. Sarac, “Conducting polymer coated carbon surfaces and
biosensor applications,” Prog. Org. Coatings, vol. 66, no. 4, pp. 337–358, Dec. 2009.
[43] Y. Xu, X. Ye, L. Yang, P. He, and Y. Fang, “Impedance DNA Biosensor Using
Electropolymerized Polypyrrole/Multiwalled Carbon Nanotubes Modified Electrode,”
Electroanalysis, vol. 18, no. 15, pp. 1471–1478, Aug. 2006.
[44] J. Dejeu, A. E. Taouil, P. Rougeot, S. Lakard, F. Lallemand, and B. Lakard,
“Morphological and adhesive properties of polypyrrole films synthesized by
sonoelectrochemical technique,” Synth. Met., vol. 160, no. 23–24, pp. 2540–2545,
2010.
[45] P. Montoya, T. Marín, J. A. Calderón, and F. Jaramillo, “Electrodeposition of
Polypyrrole Films : Influence of Fe 3 O 4 Nanoparticles and Platinum Co-Deposition,”
2005.
[46] D. Liu, X. Wang, J. Deng, C. Zhou, J. Guo, and P. Liu, “Crosslinked Carbon
Nanotubes/Polyaniline Composites as a Pseudocapacitive Material with High Cycling
Stability,” Nanomaterials, vol. 5, no. 2, pp. 1034–1047, Jun. 2015.
[47] H. A. E. J.J.Rosero, A.X. Velasco, “CARACTERIZACIÓN DE ELECTRODOS DE
GRAFITO MODIFICADOS CON PPY Y MWCNT-NH2 PARA BIOSENSORES
formatoION_26-09_20166_17PM (1).” .
[48] T. T. N. Lien, L. H. Bac, T. D. Lam, P. Q. Pho, D. T. Cat, A. Pucci, and K. Wandelt,
“Glucose Sensor Based on Multi-Wall Carbon Nanotubes Doped
Polypyrrole\nPhysics and Engineering of New Materials,” vol. 127, pp. 263–270,
2009.
[49] Y. Lu, T. Li, X. Zhao, M. Li, Y. Cao, H. Yang, and Y. Y. Duan, “Electrodeposited
polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces,”
Biomaterials, vol. 31, no. 19, pp. 5169–5181, 2010.
[50] G. C. Arteaga, M. A. Valle, M. Antilén, M. Romero, A. Ramos, and L. Hernández,
“Nucleation and Growth Mechanism of Electro-synthesized Poly ( pyrrole ) on Steel,”
Int. J. Electrochem. Sci., vol. 8, pp. 4120–4130, 2013.
[51] J. G. Ibanez and N. Batina, “AFM Analysis of Polypyrrole Films Synthesized in the
Presence of Selected Doping Agents,” Int. J. Electrochem. Sci., vol. 8, pp. 2656–
Bibliografía 178
2669, 2013.
[52] S. Kakhki, M. M. Barsan, E. Shams, and C. M. A. Brett, “Development and
characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-coated poly(methylene blue)-
modified carbon electrodes,” Synth. Met., vol. 161, no. 23–24, pp. 2718–2726, 2012.
[53] C. Zhou, Z. Liu, Y. Yan, X. Du, Y.-W. Mai, and S. Ringer, “Electro-synthesis of novel
nanostructured PEDOT films and their application as catalyst support,” Nanoscale
Res. Lett., vol. 6, no. 1, p. 364, 2011.
[54] R. A. Jones, “Physicochemical Properties,” vol. 1345, no. 1962, 1968.
[55] C. Pirvu, C. C. Manole, A. B. Stoian, and I. Demetrescu, “Understanding of
electrochemical and structural changes of polypyrrole/polyethylene glycol composite
films in aqueous solution,” Electrochim. Acta, vol. 56, no. 27, pp. 9893–9903, 2011.
[56] D. K. Singh, S. K. Srivastava, A. K. Ojha, and B. P. Asthana, “pH-dependent Raman
study of pyrrole and its vibrational analysis using DFT calculations,” Spectrochim.
Acta - Part A Mol. Biomol. Spectrosc., vol. 71, no. 3, pp. 823–829, 2008.
[57] B. Zhang, Y. Xu, Y. Zheng, L. Dai, M. Zhang, J. Yang, Y. Chen, X. Chen, and J.
Zhou, “A facile synthesis of polypyrrole/carbon nanotube composites with ultrathin,
uniform and thickness-tunable polypyrrole shells,” Nanoscale Res Lett, vol. 6, p. 431,
2011.
[58] Y. Liu, B. H. U, W. Jian, and R. Santhanam, “In situ cyclic voltammetry-surface-
enhanced Raman spectroscopy : studies on the doping ᎐ undoping of polypyrrole
film,” pp. 85–91, 2000.
[59] K. Nakamura, S. Era, Y. Ozaki, M. Sogami, T. Hayashi, and M. Murakami,
“Conformational changes in seventeen cystine disulfide bridges of bovine serum
albumin proved by Raman spectroscopy,” FEBS Lett., vol. 417, no. 3, pp. 375–378,
1997.
[60] J. L. (1974) Frushour, B. G. & Koenig, Biopolymers. 1974.
[61] B. G. (1972) Koenig, J. L. & Frushour, Biopolymers. 1972.
[62] J. T. T. Herskovits and M. Laskowski, Jr., Biol. Chem. 1962.
[63] A. M. J. Gorbunoff, Biochem. Biophys. 1970.
[64] M. C. Chen and R. C. Lord, “Laser-excited Raman spectroscopy of biomolecules.
VIII. Conformational study of bovine serum albumin,” J Am Chem Soc, vol. 98, no. 4,
pp. 990–992, 1976.
[65] A. Andrade, “Determinación del grado de desacetilación de quitosana mediante
titulación potenciométrica , FTIR y Raman,” no. October, 2016.
Bibliografía 179
[66] X. D. Ren, Q. S. Liu, H. Feng, and X. Y. Yin, “The Characterization of Chitosan
Nanoparticles by Raman Spectroscopy,” Appl. Mech. Mater., vol. 665, pp. 367–370,
2014.
[67] L. Astratine, E. Magner, J. Cassidy, and A. Betts, “Electrodeposition and
characterisation of copolymers based on pyrrole and 3,4-ethylenedioxythiophene in
BMIM BF4 using a microcell configuration,” Electrochim. Acta, vol. 115, pp. 440–448,
2014.
[68] K. M. Sajesh, R. Jayakumar, S. V. Nair, and K. P. Chennazhi, “Biocompatible
conducting chitosan/polypyrrole-alginate composite scaffold for bone tissue
engineering,” Int. J. Biol. Macromol., vol. 62, pp. 465–471, 2013.
[69] B. K. Shrestha, R. Ahmad, H. M. Mousa, I. G. Kim, J. I. Kim, M. P. Neupane, C. H.
Park, and C. S. Kim, “High-performance glucose biosensor based on chitosan-
glucose oxidase immobilized polypyrrole/Nafion/functionalized multi-walled carbon
nanotubes bio-nanohybrid film,” vol. 482, pp. 39–47, 2016.
[70] S. Lupu, C. Lete, C. Paul, D. I. Caval, and C. Mihailciuc, “Development of
Amperometric Biosensors Based on Nanostructured Tyrosinase-Conducting Polymer
Composite Electrodes,” pp. 6759–6774, 2013.
[71] N. Festin, A. Maziz, C. Plesse, R. Temmer, and A. Maziz, “In search of better
electroactive polymer actuator materials : PPy versus PEDOT versus PEDOT – PPy
composites.”
[72] B. Bushan, Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. 2011.
[73] S. T. Doctorales, Pedro ángel salazar carballo. 2012.
[74] H. Armando, E. Duran, D. Antonio, and L. Cataño, “GRAVIMÉTRICAS Y
ELECTROQUÍMICAS ADSORPTION STUDY OF PROTEINS ON SURFACES OF
POLY-LACTIC ACID BY USING ELECTROCHEMICAL AND MICROGRAVIMETRIC
TECHNIQUES,” pp. 167–175.