164 algunos casos la estabilidad de los dispositivos así como la capacidad de reutilizarlos se ve limitada por la naturaleza intrínseca de las mismas. En ese sentido, el diseño de sensores no enzimáticos o estrategias enzime-free pueden ofrecer ventajas que compensan la falta de enzima en el electrodo exhibiendo una respuesta electrocatalítica.
Estos últimos años se ha dedicado considerable atención a la reducción de H2O2 a potenciales relativamente bajos en presencia de nanopartículas (NPs) metálicas, las cuales se han convertido en sustitutas de las enzimas en la catálisis de H2O2, debido a que pueden disminuir los
sobrepotenciales a los que ocurre la reducción frente a los valores encontrados con electrodos sin adición de NPs [4]. Los metales nobles muestran una notable actividad catalítica a la reducción de
H2O2[15] [16], pero su costo alienta el desarrollo de otros electrocatalizadores de menor precio y
eficaces tales como cobre electrodepositado [3][17][18].
La modificación de la superficie del electrodo de manera de otorgarle nuevas o mejoradas propiedades es sumamente importante. En este sentido, el empleo de moléculas de arquitectura dendrítica como son los polímeros hiperramificados que poseen cavidades en su interior y son capaces de incorporar nanopartículas, pasa a ser una estrategia de modificación novedosa para el desarrollo de plataformas nanoestructuradas de forma controlada. La incorporación de cationes metálicos dentro del polímero y su interacción mediante los numerosos grupos funcionales periféricos, permite captarlos de manera sencilla sobre la superficie del electrodo. La posterior reducción de los cationes a metal permite en consecuencia generar nanopartículas empleando la matriz polímerica como template. En este trabajo de tesis se utilizan las superficies derivatizadas con Boltorn® con el fin de inmovilizar NPs de cobre para la detección electroquímica de H2O2.
El mecanismo de electroreducción de H2O2 incluye los siguientes pasos [15][19][20][21]:
(1) H2O2, + e− → OH
AD + OH−
(2) OHAD + e− → OH−
(3) 2 OH− + 2 H+ → 2 H 2O
donde OHAD es la especie adsorbida y la que determina la velocidad de la reacción global; por lo
tanto, una superficie capaz de brindar sitios de unión al adsorbato es la que presentará un comportamiento electrocatalítico para la reducción de H2O2.
165 En este capítulo se analizan las posibles aplicaciones de las plataformas híbridas desarrolladas con Boltorn®H30 y cobre en la detección electroquímica de H2O2. Además, se analiza la respuesta electrocatalítica de superficies derivatizadas con Boltorn®H40 y cobre para evaluar si hay algún efecto de la generación del polímero hiperramificado en la respuesta analítica de la plataforma sensora.
8-1 Condiciones experimentales Sustrato de carbono
Para las mediciones electroquímicas se empleó como sustrato de carbono un electrodo de trabajo de carbono vítreo (GCE) (CHInstruments, Inc. Austin, TX) de 3 mm de diámetro (área geométrica de 0,07 cm2). El electrodo fue previamente pulido usando alúmina (Buehler) de 1,0
μm y 0,3 μm y enjuagado con abundante agua Milli-Q (Millipore Corp., USA). Luego del pulido el electrodo fue llevado a baño en ultrasonido durante 1 minuto y secado bajo flujo de nitrógeno.
Modificación de la superficie de carbono
La incorporación de cobre sobre la superficie se realizó mediante los dos métodos antes descriptos: incubando en soluciones de CuCl2 50 mM la superficie previamente modificada con Boltorn®H30 (dip-coating), y por otro lado la modificación de la superficie mediante drop-casting de las mezclas conteniendo Boltorn®H30 (saturado) y CuCl2 de diferentes concentraciones. Mezcla
A (5 mM); Mezcla B (10 mM); Mezcla C (15 mM), Mezcla D (25 mM) y Mezcla E (50 mM). De manera similar se prepararon mezclas conteniendo Boltorn®H40 en reemplazo de Boltorn®H30 denominándose de igual forma pero adicionándole un apóstrofe al nombre para diferenciarlas:
Mezcla B’ (10 mM). Posteriormente, la superficie dendronizada fue sometida a un pulso de potencial de -0,5 V con objeto de reducir el catión cobre a cobre metálico.
Soluciones electrolíticas
Se utilizaron dos electrolitos: una solución amortiguadora de fosfatos (PBS) que fue preparada disolviendo las sales K2HPO4/KH2PO4 0,1 M enagua y una solución acuosa de KCl
0,1 M. En todos los casos se empleó agua ultrapura obtenida por destilación del agua de red y tratada posteriormente con un sistema MilliQ provisto por la empresa Millipore. Este equipo
166 posee filtros de resina de intercambio iónico y de carbón activo, con los que se alcanzan resistividades de 18 MΩ cm. Las soluciones electrolíticas fueron desoxigenadas previo a las medidas electroquímicas por burbujeo de N2 durante 10 minutos.
Medidas electroquímicas
Los experimentos electroquímicos se realizaron en una celda convencional de tres electrodos conteniendo un electrodo de trabajo (GCE), un contraelectrodo de platino y un electrodo de Ag/AgCl/KCl (3M) como electrodo de referencia, empleando un analizador electroquímico multipropósito (Ch. Instruments). Los voltamperogramas se obtuvieron en el intervalo de -1,20 a 0,00 V con una velocidad de barrido de 0,10 Vs-1 a menos que se indique lo
contrario. Para las mediciones de cronoamperometría se aplicó un potencial de -0,30 V o bien - 0,40 V registrando la corriente en función del tiempo.
8-2 Resultados y discusión
8-2-1 Desarrollo de un sensor de H2O2 empleando la superficie de carbono modificada vía
incubación
Como se comentó en el capítulo anterior, una de las formas de incorporar cobre a la superficie de carbono es mediante incubación en solución de Boltorn®H30 25,0 mM y posteriormente, una nueva incubación en solución de CuCl2 50,0 mM. Luego a esta superficie
derivatizada se le aplica un potencial de -0,50 V de manera de generar por vía electroquímica la reducción de los cationes Cu2+ (incorporados en la matriz) a cobre metálico. El electrodo de
carbono derivatizado de esta forma se empleó para detectar H2O2 en solución por
cronoamperometría.
Se estudió comparativamente la detección de H2O2 a -0,30 V con un electrodo de
carbono vítreo pulido y con uno modificado de la manera antes descripta. La Figura 8-1-a) muestra la respuesta cronoamperométrica. Se observó que no hay una respuesta en corriente para el electrodo pulido con los agregados sucesivos de H2O2, en tanto que el electrodo derivatizado
mostró caídas de corriente en respuesta a la concentración de peróxido de hidrógeno en la celda de medida. La Figura 8-1-b) muestra la curva de calibración correspondiente la cual presentó una sensibilidad de (34 ± 1) x 103 nA.M-1. Estos resultados muestran que la modificación superficial
167 tiene un efecto catalítico para la detección de la especie H2O2 a igual sobrepotencial
comparativamente con el electrodo sin modificar.
Fig. 8-1-a) Cronoamperogramas obtenidos para GCE desnudo (___) y GCE modificado con Boltorn®H30(3hs)/Cu(3hs) (___) frente a agregados de 30 y 60 µL de H2O2 (0,1 M). En (b) la curvas de
calibración obtenidas para GCE modificado) (-●-) detallándose el ajuste lineal correspondiente. Condiciones Experimentales: CHB= 25,0 mM; CCuCl2= 50,0 mM; Eelectroreducción= -0,50 V; Edetección= -
0,30 V, PBS 0,1 M (pH 7,0).
Considerando la respuesta obtenida frente a agregados de H2O2 se evaluaron las
condiciones de modificación de manera de optimizar la respuesta sensora. La Figura 8-2 muestra los cronoamperogramas registrados -0,30 V para GCE incubado en Boltorn®H30 (25,0 mM por 3 hs), variando el tiempo de incubación en la solución de CuCl2. En este caso, se observó un salto
de corriente mayor para un tiempo de incubación de 3 hs sin encontrar una mejora aparente al aumentar el tiempo de incubación en la solución de CuCl2.
La Figura 8-3 muestra las curvas de calibración construidas en base a los saltos de corriente obtenidos con los agregados de H2O2. La mayor sensibilidad en la respuesta frente a
agregados de H2O2 se observa para un tiempo de incubación de 3 hs en CuCl2 siendo la misma
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Fig. 8-2) Cronoamperogramas registrados aplicando un potencial de -0,30 V para GCE incubado en Boltorn®H30 25 mM durante 3 hs y posteriormente incubado en CuCl2 50 mM durante (a) 3 hs, con
agregados de 30 y 60 μL de H2O2 0,10 M; y (b) 4 hs, con agregados de 60 μL de H2O2 0,01 M.
Condiciones Experimentales: Eelectroreducción= -0,50 V; PBS 0,1 M (pH 7,0), Volumen de la celda = 25 mL.
Fig. 8-3) Curvas de calibración obtenidas para GCE modificado con (●) Boltorn®H30 (3hs)/CuCl2 (3hs)
y (●) Boltorn®H30 (3hs)/CuCl2 (4hs). Condiciones experimentales: CHB = 25,0 mM; CCuCl2 = 50,0 mM;