Simplificación del Procedimiento Analítico: Integración de Etapas y Concepto de Sensor

Procedimiento Analítico y Simplificación

Abordaje conceptual: Simplificación e integración en el procedimiento analítico.
Sensor/Detector: Reducción de etapas en el análisis.
Señales:
- Señal Primaria: óptica, electroquímica, másica, térmica.
- Señal Secundaria: eléctrica.
Muestra: Proceso mediante métodos discretos/robotizados y métodos de flujo continuo.
Automatización: Ejecución de sistemas de análisis total.

Integración y Sensores/Biosensores

Señales (Repetido):
- Señal Primaria: óptica, electroquímica, másica, térmica (R, T, A).
- Señal Secundaria: eléctrica.
Clave: Selectividad en la simplificación del procedimiento analítico.

Sensores - Características Intrínsecas Exigibles

Exactitud
Precisión
Selectividad
Sensibilidad
Límite de Detección
Rango de Linealidad
Tiempo de Respuesta
Ruido
Deriva

Sensores - Características Operacionales Deseables

Calibración Simple
Tiempo de Vida (largo/único uso)
Coste Reducido
Fabricación y Análisis
Robustez
Mantenimiento Limitado
Portátil
No Destructivo de la Muestra

Selectividad y Especificidad de Sensores

Sensores Específicos:
- Señal  mi * Ci, donde mi es la sensibilidad del sensor específico a la especie química i, y Ci es la concentración de la especie química i.
Sensores No Selectivos:
- Señal = mj * Cj, donde mj es la sensibilidad del sensor no selectivo a la especie química j, y Cj es la concentración de la especie química j.
Muestra Compleja: Uso de sensores/detectores para simplificar el procedimiento analítico.

Elementos de Reconocimiento y Selectividad

Elementos de Reconocimiento:
- Químicos (ionóforos)
- Biológicos (evolución darwiniana): enzimas (biosensores), anticuerpos (inmunosensores), DNA (genosensores), receptores, células, tejidos.
Selectividad Alta/Media: Medidas in-line de muestras complejas vs. medidas con tratamiento previo de la muestra.

Selectividad: Sensores y Elementos de Reconocimiento Químicos

Ionóforos: Portadores macrocíclicos o no macrocíclicos, neutros o cargados, con selectividad para cationes o aniones.
La selectividad depende de las constantes de equilibrio de la interacción ionóforo-analito.
Elemento de reconocimiento intrínseco: El propio analito hace esa función a través de sus propiedades ópticas, electroquímicas, térmicas, etc.
Ejemplo: Valinomicina.

Selectividad: Biosensores

La selectividad depende de la evolución.
Fijación de biosensores.

Selectividad: Biosensores - Inmovilización

Esquema de los métodos más comunes de fijación de biorreceptores (anticuerpos, ADN y enzimas) en las superficies de los transductores.
Inmovilización.

Selectividad: Inmunosensores

Esquema de inmunosensor: transductor modificado con anticuerpos para el reconocimiento de patógenos.
Alta Selectividad (Especificidad)
Irreversibilidad
Limitada Estabilidad

Selectividad: Biosensores ADN

Esquema de biosensores de ADN. Detección electroquímica y fluorescente.
Alta Selectividad (Especificidad)
Irreversibilidad
Limitada Estabilidad

Selectividad: Biosensores Enzimáticos

Esquema de Biosensor Enzimático.
Alta Selectividad (Especificidad)
Reversibilidad
Baja Estabilidad

Selectividad: Biosensores - Amplificación de Señal

Enzimas, Substratos, Detección.
ELISA, IPCR.
InmunoSensores (Anticuerpos marcados).

Selectividad: Biosensores - Transducción

Peso/Óptica
Anticuerpos
Target molecule (PSA)
Probe molecule (Ab)
Microcantilever beam.

Selectividad: Pseudo Biosensores

Polímeros de impronta molecular (Molecularly Imprinted Polymers, MIPs).

Limitada/Nula Selectividad

Medidas múltiples sensores con tratamiento quimiométrico de datos (redes neuronales).
Medida de percepciones: nariz (olor) o lengua (sabor) electrónica (sensor array-pattern recognition).
Detección en Sistemas Cromatográficos (separación previa).

Curvas de Respuesta de Sensores

Señal de Salida: Respuesta del sensor cuando el elemento de reconocimiento sufre variaciones.
Tipos de Respuesta:
- Lineal: $S = a[M] + b$
- Pseudo-Lineal: $S = a log[M] + b$
- No Lineal: $S = f(M)$

Reversibilidad de Sensores

Sensores Reversibles
Sensores Regenerables
Sensores Desechables

Metodologías de Aplicación de Sensores y Biosensores

Lab Sampling
Continuous Monitoring
Spot Sampling

Metodologías de Aplicación - Consideraciones Clave

Aplicación In-Line: Selectividad, Robustez, Estabilidad, Autocalibración, Información Continua, Información casi en Tiempo Real.
Aplicación On-Line: Robustez, Automatización, Versatilidad, Selectividad No Óptima, Pretratamiento de Muestra, Información Discreta.
Aplicación In-Situ: Sencillez, Bajo Coste, Manual, Dispositivos Desechables, Pretratamiento de Muestra.

Metodologías de Aplicación - Complementariedad

Handheld Sensing: In-situ
Static sensors: Spatially constrained in-situ measurements
Remote Sensing: mediciones a gran escala
Robotic Mobility: continuo espacial en area pequeña

Metodologías de Aplicación: IoCT (Internet de las Cosas Químicas)

Digitalización de la observación (información) química.
Clave de bóveda: Integración de señales y datos.

Desafíos en la Aplicación Práctica de Sensores/Detectores

Selectividad (no es perfecta)
Sensibilidad y Límite de Detección
Rango de Trabajo
Tiempo de Vida
Calibración
Funcionamiento Autónomo
Monitorización en Tiempo Real

Sensores Químicos (Viabilidad)

Categorías de sensores, parámetros, preparación para el campo, escalabilidad y coste (USD).

Sensores Químicos Implantados (Comercialmente)

Parámetros medidos, unidades.

Sensores Químicos Implantados - Fundamentos Teóricos

Electroquímicos: Potenciométricos (pH, ISE Aniones/cationes), Amperométricos (O2, Metales).
Ópticos: Dispersión (Turbidez), Absorción/Transmisión (Nitrato, Materia Orgánica), Fluorescencia (O2, Clorofila).

Química electroanalítica

Grupo de métodos analíticos cuantitativos basados en propiedades eléctricas de una disolución del analito cuando forma parte de una celda electroquímica.
Característica Diferenciales:
- Discriminan estados de oxidación de los elementos.
- Proporcionan información de actividades en vez de concentraciones.
- Utilizan una instrumentación de muy bajo coste (0.2 Mpta/2.0 Mpta).

Variables Físicas Medidas

I, intensidad;
E, potencial;
R, resistencia;
G, conductancia;
Q, cantidad de carga;
t, tiempo;
VOL, volumen de disolución estándar;
WT, peso de especies electrodepositadas

Celda Electroquímica y Ecuación de Nernst

Reacción Redox: Znº + Cu^{2+}  Zn^{2+} + Cuº
Ecuación de Nernst: $\Delta E=\Delta Eº-(0.059/n) Log (a{Zn^{2+}}/ a{Cu^{2+}} )$
Aplicación de la ecuación a cada semicelda.
La reacción procede si las especies tienden a reaccionar.

Relación entre Actividades, Potencial Eléctrico y Ecuación de Debye-Huckel

ax = fx [X]
I = 1/2  cx zx2
-log fx = 0.51 zx2 I1/2 / [1 + I1/2]
Ecuación Debye-Huckel
ΔG = RTLnQ - RTLnKeq
ΔG = -nFΔE
ΔE = - (RT/nF)LnQ + (RT/nF)LnKeq
ΔEº = (RT/nF)LnKeq
CELDA ELECTROQUÍMICA Znº + Cu 2+  Zn 2+ + Cuº
Ecuación de Nernst: $\Delta E = \Delta Eº - (RT/nF)Ln (a{i Zn 2+}/ a{i Cu 2+})$

Potenciometría - Medida de Potencial sin Alteración de Concentración

Objetivo: Evitar alteraciones en la concentración del analito.
Equilibrio en una semicelda: AgCl  Ag+ + Cl- (Kps), HAc  Ac- + H+ (Ka).
Medida de la diferencia de potencial permite extraer información de la composición de las disoluciones.
Medidas de potencial con intensidad de corriente cercana a cero.
Ecuación de Nernst: ΔE =  - (RT/nF)Ln (1/ai)

Potenciometría - Semirreacciones y Electrodo de Referencia

Semirreacción referencia Cu^{2+} +2e^- Cuº
Potencial ΔE=EIND-EREF
- Potencial Constante
- Potencial función de la concentración analito

Electrodo de Referencia - Características Ideales

Potencial conocido, constante e insensible a la composición de la disolución.
Características:
- Reversible y cumplir la ley de Nernst.
- Suministrar un potencial constante en el tiempo.
- Volver al potencial inicial tras pequeños pasos de corriente.
- No afectado por la temperatura.

Electrodos Indicadores de Membrana - Clasificación y Propiedades

Electrodos de Membrana Cristalina:
- Medida de F-: Cristal Único (LaF3).
- Medida de Ag+, S2-, Cl-, Br-: Policristalina (Ag2S, Ag2S/AgX).
Electrodos de Membrana No Cristalina:
- Vidrio (silicatos para H+ y Na+).
- Líquido (Intercambiadores de iones líquidos).
- Líquido en matriz polimérica.
Propiedades Básicas Membranas Selectivas:
- Baja solubilidad
- Mínima conductividad eléctrica
- Selectividad frente al analito

Potencial de Membrana y Electrodos Indicadores

Potencial de membrana: potencial de unión que se forma en la membrana que separa la disolución de analito y la disolución interna de referencia.
Gradiente de concentraciones y carga.
$\Delta G = -RTln (A1/A2)$
Balanceado por $\Delta G = -nF\Delta E$
$-RT ln (A1/A2) = -nF\Delta E$
$\Delta E = (0.059/n) log (A1/A2)$
si A1 constante, $\Delta E = k + (0.059/n) log (1/A2)$
Elemento de reconocimiento.

Electrodo de Vidrio - Medida de pH

Estructura de la membrana de vidrio (SiO2, Na₂O, CaO).
Intercambio iónico en la superficie del vidrio (H+ y Na+).
Transporte de corriente por H+ cerca de la superficie y Na+ en el interior.

Electrodo de Vidrio - Diagrama Esquemático

AE = constant + β 0.05916 pH
β: asymmetry potential (0.98–1.00)
Rango de Trabajo [H+] 10-1 M-10-13 M pH 1-13

Sensores Basados en Membranas Líquidas

Electrodos de Membrana Líquida en matriz polimérica (Intercambiadores líquidos de iones).
Composición: Polímero, Plastificante, Ionóforo.

Potencial de Membrana en Electrodos con Membrana Líquida

Similitudes con electrodos de membrana sólida.
Composición de la membrana selectiva: Polímero, Plastificante, Ionóforo.

Ionóforos - Elementos de Reconocimiento

Valinomicina: Ionóforo de Potasio.
Tipos: Electrically Neutral Carriers, Electrically Charged Carriers.

Ionóforos - Ejemplos y Aplicaciones

Identificación code, Source, Chemical abstracts registry number
Para Pb2+, Cd²+, UO₂²+

Potenciometría - Obtención de Información Cuantitativa

Ley de Nernst: $E = E° + (RT/ziF) ln ai$
Ecuación de Nikolsky-Eisenman: $E = E⁰ + (RT/F) In [a{ox} + Σ (k{ij}a_{j})^{z/v}]$
Procedimientos de Medida:
- Potenciometría Directa (Interpolación Calibrado, Adición/Sustracción Estándar).
- Valoraciones Potenciométricas.

Potenciometría - Ventajas y Limitaciones

*Ventajas:

Respuesta lineal: ordenes de magnitud de analito
No destructivos, no existe consumo de analito.
No contaminan
Tiempo de respuesta pequeño
No afectados por la turbidez o el color de la muestra.
Instalación simple.
Amplio número de Configuraciones
Fácil aplicación en análisis automático y/o industrial
Bajo coste

*Limitaciones:

Precisión: raramente mejor del 4%.
La superficie de los electrodos pueden ser colmatada por proteínas y otros compuestos orgánicos.
Selectividad insuficiente de muchos sensores.
Los electrodos son frágiles y tienen un tiempo de vida corto
Los electrodos responden a la actividad del ion no complejado.
Numero limitado de sensores accesibles

Variables Físicas Medidas (Repetido)

I, intensidad; E, potencial; R, resistencia; G, conductancia; Q, cantidad de carga; t, tiempo; VOL, volumen de disolución estándar; WT, peso de especies electrodepositadas.

Técnicas Voltamperométricas - Principios Básicos

Clasificación en función del tipo de perturbación introducida en el voltaje aplicado al electrodo indicador.
Función de entrada E = F(t) y función de respuesta i = G(E).
Reacción A  ne-  B.
Utilizadas en desarrollo de biosensores (ej. biosensor de glucosa para diabéticos).

Técnicas Voltamperométricas - Polarización y Transporte de Masa

Concepto basico: Provocamos la polarización electrodo.
Refleja la velocidad de difusión limitante del analito desde el seno de la disolución hacia la superficie del electrodo.
Reacción A  ne-  B.
Mecanismos de transporte de masa.
- Migración
- Convección
- Difusión

Voltamperograma e Interpretación

Corriente frente a potencial aplicado.
Potencial de semionda (E1/2) cercano al E0 de la reacción de reducción.
Corriente limitante proporcional a la concentración del analito (Ilimitante=k.cA).

Aplicaciones de las Técnicas Voltamperométricas - Oxígeno Disuelto

Variable crítica para la calidad del agua.
Descomposición natural de materia orgánica consume oxígeno.
Procesos de fotosíntesis producen oxígeno durante el día y lo consumen durante la noche.

Medida del Oxígeno Disuelto en Agua- Corriente Residual

Impurezas: O2 y iones metálicos.
Solución saturada de aire ≈4 mM O2 ≈5 A corriente de difusión
Reacciones: O2 + 4 H+ + 4 e–
Corriente Residual: Corriente que pasa por el sistema cuando no hay analito (Blanco). Impurezas y corriente capacitativo.

Sensor de Oxígeno - Principio y Componentes

Ánodo Ag: 4Ag + 4Cl-  AgCl + 4e-
Cátodo Au: O2 + 4H+ + 4e-  2H2O
Membrana de difusión de gases para separar interferencias.

Métodos Ópticos de Análisis - Clasificación

Basados en la radiación electromagnética que emana de la materia o interacciona con ella.
Métodos Espectroscópicos: Medidas de intensidad y longitud de onda de la radiación (espectros).
Métodos No Espectroscópicos: Miden interacciones radiación materia (cambio en dirección o propiedades físicas).

Tipos de Interacción Radiación-Materia

Métodos No Espectroscópicos: Refracción, Reflexión, Dispersión, Difracción, Polarización.
Métodos Espectroscópicos: Emisión, Absorción.

Sensores Ópticos - Instrumentación Básica y Fenómenos

Fenómenos ópticos: Absorción/Transmisión, Fluorescencia (F = Kc = 2.303 K’P0bc).
Instrumentación: Fuente (LED, Laser Diodo), Selector Longitud de Onda, Muestra, Detector (Fotodiodo, Fotomultiplicador).
$Q = F/ F_{SV} = 1/(1+K[O])$

Sensores Ópticos - Componentes y Principio de Funcionamiento

Construcción de fibra óptica (núcleo de alto índice de refracción, revestimiento de bajo índice).
Principio de operación: reflexión total interna.

Sensores Ópticos Intrínsecos - Medida Directa de Propiedades del Analito

Medimos una propiedad del analito UV/Vis Spectroscopy.

Sensores Ópticos Intrínsecos - Materia Orgánica

Medida directa de una propiedad óptica intrínseca del analito.

Sensores Ópticos Intrínsecos - Sensor de Ión Nitrato

Funcionamiento sin reactivos por absorción UV.

Sensores Ópticos Intrínsecos - Materia Orgánica (COD, COT, DQO, DBO5)

Medida indirecta de compuestos orgánicos disueltos a 254 nm y turbidez a 530 nm.

Luminiscencia y Relación Potencia-Concentración

Diagramas de niveles de energía.
Potencia de la radiación fluorescente proporcional a la potencia de excitación absorbida (F = 2.303 K’P0bc = Kc).

Sensores Ópticos Intrínsecos - Sensor de Clorofila

Detección de Bloom de algas y Cianobacterias por fluorescencia (excitación 470 nm, emisión 673 nm).

Algas y Cianobacterias Acuáticas

Formación de blooms visibles en ambientes de agua dulce y marina.

Luminiscencia - Sensor de Oxígeno (Amortiguación de Fluorescencia

$Q = F/ F_{SV} = 1/(1+K[O])$

Sensores Ópticos Activados - Sensor de Oxígeno

Elemento de reconocimiento: Ru(II) = (dpp)3Ru(II).
planar oxygen sensitive sensor
microoptode
silica fiber coupler
pmt

Sensores Ópticos Activados - Respuesta a Cambios en Concentración de Oxígeno

Quimioluminiscencia - Determinación de Óxidos de Nitrógeno

Reducción de NO2 a NO y medida de NO por quimioluminiscencia.

Red de Vigilancia y Previsión de la Contaminación Atmosférica (Cataluña)

Sensores Químicos Implantados (Comercialmente) - Lista de Parámetros (Repetido)

Sistemas Multiparamétricos - Sensores Físicos y Químicos

*Simultaneous measurement of conductivity (salinity), temperature, turbidity, depth or level, pH/ORP

Sensores Ópticos Intrínsecos - Instalación

Sensores Instalados en Línea - Información Obtenida

Datos de sensor de campo
Parametros de Tapa bay:BGA(RFU), CHL (ug L), pH. Temp(C)

Problemas de Sensores en Línea - Muestreo Representativo

Necesidad de estudiar la evolución de la composición a través de la sección transversal para determinar la posición adecuada del sensor.

Problemas Prácticos de Sensores en Línea - Requisitos Esenciales

Selectividad, Sensibilidad y Límite de Detección, Rango de Trabajo, Tiempo de Vida, Calibración, Estabilidad y Robustez.

Sensores en Línea - Selectividad Mejorada

Sensor combinado amonio y nitrato con compensación de interferencias (potasio y cloruro).
Ecuación de Nikolsky-Eisenman.
Ecuación de Nernst.

Sensores en Línea - Tiempo de Vida Típico

Tipos de sensoes y tiempo de vida
*Temperatura: Electrica 5+ años
*Conductividad: Electrica 5+ años
*ph/ORP: Electroquimica 1 to 3 años
*Oxigeno disuelto: Electroquimica: 3 a 5 años
Turbidez: Optical: 5+ años
ISES: Electroquimica: 6 meses a un año

Sensores en Línea - Problemas de Biofouling

Sensores Potenciométricos (pH, Nitrato, Amonio…)..

Sensores en Línea - Problemas de Biofouling (Repetido)

Sensores ópticos (Nitrato, Clorofila, Oxígeno Disuelto,…).

Sensores en Línea - Soluciones Anti-fouling

Aleaciones de cobre, limpiadores mecánicos, pantallas de malla de cobre y soluciones C-Spray.

Sensores en Línea - Problemas y Mantenimiento

Mantenimiento adecuado y accesorios anti-fouling previenen el impacto del biofouling en los datos.

Tema 7: Miniaturización de la Instrumentación Analítica

Microsistemas analíticos integrados.
Resolución espacio-temporal.