Quimisorción en superficies sólidas, formación de monocapas (página 2)

Electrodos modificados con derivados sulfurados de las ciclodextrinas

A partir de mediados de la década del 90, se inició el estudio de nuevas generaciones de sensores voltamétricos basados en derivados tiolados de determinados receptores quimiabsorbidos en electrodos de oro. La idea consistió en dotar a la superficie de propiedades de reconocimiento molecular aprovechando las características del receptor inmovilizado. Como hemos visto, las ciclodextrinas están entre los receptores moleculares más importantes y más aplicados. Sin embargo, su estudio como modificadores de electrodos ha comenzado sólo hace muy pocos años, como veremos a continuación.

El primer trabajo en este tema fue publicado por Kaifer en 1995 al reportar la síntesis y quimisorción del hepta-(6-tio-6-desoxi)-b -ciclodextrina sobre un electrodo de oro. La monocapa fue caracterizada por medidas de capacitancia y desorción reductiva. Como resultado, se obtuvo que los receptores forman una monocapa relativamente imperfecta que recubría alrededor del 65% de la superficie. Los defectos en el proceso de recubrimiento fueron sellados con pentanotiol para, de esta forma, obligar a que toda reacción redox del sustrato en la superficie electródica se llevara a cabo a través de la cavidad de la ciclodextrina (figura 3).

Figura 3- Sensor de reconocimiento molecular basado en un derivado heptatiolado de la b -ciclodextrina y pentanotiol quimiabsorbido en un electrodo de oro.

Este electrodo fue estudiado como sensor voltamétrico de reconocimiento molecular del ferroceno, encontrándose que la constante de acomplejamiento interfacial era relativamente alta (3.9 X 104 M-1). Por otro lado, la formación del complejo de inclusión ferroceno/b -ciclodextrina fue comprobada a través del fenómeno de competición selectiva con un sustrato no eletroactivo, el ácido 3-metilbenzoico. Se observó que la señal redox del ferroceno disminuyó, en la medida que la concentración del ácido aumentó en solución. Este trabajo marcó la pauta en el estudio y caracterización de otros electrodos modificados con derivados sulfurados de las ciclodextrinas como sistemas de reconocimiento molecular.13-20

Un trabajo muy interesante fue el desarrollado por Osa,14 a partir de la modificación de un electrodo de oro con el derivado hepta-(6-lipoil-6-desoxi)-b -ciclodextrina. El electrodo modificado fue utilizado como sensor de reconocimiento molecular de sustratos no electroativos empleando marcadores electroactivos (figura 4). La intensidad de la señal del marcador electroactivo disminuye y es proporcional a la concentración del sustrato que compite por los receptores de ciclodextrina, y al valor de su constante de inclusión interfacial.

Otro trabajo en la misma línea fue el desarrollado por Ferri15 mediante la modificación de un electrodo de oro según el método propuesto por Kaifer. La monocapa fue utilizada como sensor en la determinación voltamétrica de una serie de sustancias orgánicas no electroactivas, tales como sales biliares y detergentes. Estos sensores constituyen una alternativa a la detección de sustancias no electroactivas y pudieran encontrar aplicaciones diversas.

Figura 4- Sensor voltamétrico para sustratos no electroactivos.

La misma estrategia fue empleada por Kitano para determinar las constantes de inclusión de los isómeros orto y para del conjugado del rojo de metilo con la fenetilamina en una monocapa de -ciclodextrina.15 El valor obtenido para el isómero orto resultó ser mayor que el del isómero para, lo cual se pudiera explicar considerando que la forma en "V" del primero le permite interactuar, a la vez, con dos de los receptores inmovilizados. Este trabajo, hasta donde conocemos, es el único relacionado con la diferenciación interfacial de isómeros por ciclodextrinas inmovilizadas.

Wenz16,17 estudió mediante diferentes métodos electroquímicos y espectroscópicos la influencia de la separación que se origina entre la superficie del electrodo y la cavidad de las ciclodextrinas. Para ello, sintetizó una serie de derivados mono- y per-tiolados con espaciadores de diferente longitud y naturaleza. Estos estudios demostraron la influencia de la estructura química del derivado tiolado en la arquitectura de la monocapa, donde la orientación, permeabilidad de la cavidad, así como la cinética del proceso de quimisorción, varían con el número de grupos tiol inmovilizados y su distancia a la cavidad de la ciclodextrina. La permeabilidad de las monocapas con diferentes espaciadores fue demostrada desde el punto de vista cualitativo, a través del estudio voltamétrico del proceso redox del anión hexacianoferrato en solución. Además, se estudió mediante voltametría cíclica la inclusión de diversos sustratos orgánicos como el ácido ferrocenocarboxílico, el metilnaranja, el ácido 4-tert-butilbenzoico y el ciclohexanol.

A partir de estos trabajos se pudo concluir que la cinética del proceso de quimisorción en una superficie sólida es influenciada, entre otros factores, por la estructura química del receptor y puede ser descrita mediante tres etapas fundamentales:.

1- Proceso físico de adsorción,

2- Enlace y orientación.

3- Formación de la monocapa.

Finalmente, Reinhoudt desarrolló métodos novedosos de síntesis de derivados de ciclodextrinas conteniendo grupos tioéter con diferentes grados de ramificación y estudió mediante métodos electroquímicos y espectroscópicos la formación de monocapas en electrodos de oro.12,18 La arquitectura de la monocapa resultó ser dependiente del tipo de ciclodextrina, siendo los derivados de -CD los que formaron las monocapas más compactas. Estas monocapas son capaces de acomplejar sustratos orgánicos fluorescentes con valores de K superiores a los obtenidos con el receptor en disolución.

En resumen, los trabajos de Kaifer, Wenz y Reinhoudt fueron muy importantes en el estudio de los factores que afectan la estructura, orientación y permeabilidad de las monocapas de ciclodextrinas. Además, demostraron que la arquitectura y orientación de los bloques supramoleculares formados dependen de la estructura del derivado inmovilizado que conforma la interfase. Pero más importante, quizás, resultó ser que demostraron las potencialidades de estos electrodos modificados para comportarse como sensores voltamétricos de reconocimiento molecular capaces de detectar moléculas de la más diversa naturaleza. A pesar de esto, existen muy pocos trabajos en la literatura orientados con fines aplicativos por lo que el tema tiene amplias posibilidades de desarrollo en un futuro muy próximo.

Monocapas cargadas. Aplicaciones.

Otra variante de inducir eventos de reconocimiento molecular en superficies electródicas es mediante la formación de monocapas cargadas. Para ello, se inmovilizan compuestos alcanotiolados que poseen grupos terminales -OSO3-, -COO- o -NH3+. Entre otras aplicaciones, estos sistemas constituyen modelos de marcada utilidad en el estudio de fenómenos biológicos, como son los procesos de transferencia electrónica e iónica a través de las membranas.1

Una de las aplicaciones más estudiadas de los sensores voltamétricos desarrollados a partir de monocapas cargadas es la determinación de neurotransmisores en fluidos extracelulares del sistema nervioso central en organismos vivos.

El problema esencial en la determinación del neurotransmisor dopamina en presencia de ácido ascórbico está dado por la similitud de los potenciales de oxidación de ambas especies a pH fisiológico, así como por la reacción que ocurre entre el ácido ascórbico y la dopamina oxidada (figura 5). Adicionalmente, la concentración de ácido ascórbico en los fluidos es unas 1000 veces mayor que la de la dopamina en el plasma humano y en la orina.21,22 Esto hace necesario el desarrollo de métodos eficientes de determinación simultánea de ambas especies que se han basado en diferentes estrategias

Figura 5- Reacciones de oxidación de la dopamina (A) y del ácido ascórbico (B) y oxidación del ácido ascórbico por la forma oxidada de la dopamina (C).

Varias han sido las estrategias electroanalíticas desarrolladas con el objetivo de mejorar la determinación simultánea de dopamina y ácido ascórbico. Estas estrategias se centran en las interacciones electrostáticas que se ponen de manifiesto entre la superficie electródica cargada y las especies electroactivas a determinar, trayendo consigo la separación de los potenciales de oxidación y la posibilidad de determinación de las sustancias implicadas.

Ohsaka24,25 ha empleado electrodos de oro modificados mediante monocapas cargadas positivamente, por ejemplo, cisteamina protonada (HSCH2CH2NH3+) o complejos macrocíclicos tiolados de níquel (II) (cargados di-positivamente). La interacción electrostática entre la superficie cargada positivamente y el ácido ascórbico cargado negativamente trae consigo el desplazamiento del potencial de oxidación del ácido ascórbico de 0.20 V hasta aproximadamente 0.05 V.

En contraste, el potencial de oxidación de la dopamina sólo varía de 0.20 V a 0.24 V, a pesar de las repulsiones electrostáticas que se ponen de manifiesto entre la monocapa electródica positiva y la dopamina cargada positivamente. De esta forma, el electrodo modificado con la superficie positiva separa el potencial de ambos procesos en 0.19 V, ocurriendo primeramente la oxidación del ácido ascórbico a 0.05 V y posteriormente la oxidación de la dopamina (figura 6). A pesar de esto, esta separación no logra resolver completamente los picos de oxidación de ambas especies ya que aún existe una componente de corriente correspondiente al ascorbato en el pico de oxidación de la dopamina.

Figura 6– Determinación simultánea de dopamina y ácido ascórbico con un electrodo de oro modificado con cisteamina.25,26

Recientemente, el propio Ohsaka propuso una variante al método anterior empleando nanopartículas de oro inmovilizadas en la superficie de oro modificada con cisteamina protonada.27 La adsorción de las nanopartículas genera una mayor superficie activa del electrodo provocando un aumento notable en selectividad y sensibilidad en la determinación de dopamina en presencia de ácido ascórbico. También la reversibilidad del proceso redox de la dopamina se ve significativamente mejorada.

La variante contraria a la representada en la figura 6 ha sido estudiada recientemente por Tao.28 En este caso, el electrodo de oro fue modificado con ácido mercaptopropíonico con la formación de una monocapa cargada negativamente. La separación de los picos de oxidación de la dopamina y el ácido ascórbico obtenida de este modo fue de 0.25 V. Este valor, aunque ligeramente mayor que la reportada por Takeo, tampoco es suficiente para resolver completamente los picos.

Las estrategias antes mencionadas han sido objeto de intensos estudios tratando de mejorar la resolución de los picos de oxidación.29-35 Para ello, han modificado los electrodos con diferentes materiales, tales como polímeros iónicos de diferente naturaleza, complejos metálicos y diversos compuestos orgánicos ionizables.

Otra importante aplicación de las monocapas cargadas con grandes potencialidades de aplicación en el diseño de biosensores es en la inmovilización de enzimas por vía electrostática o hidrofóbica. Existen, al menos, tres estrategias generales para la inmovilización de enzimas en electrodos36,37 (figura 7):

1. Adsorción física.
2. Conjugación covalente.
3. Formación de películas.

Figura 7– Estrategias generales para la inmovilización de enzimas en superficies de oro: (A): adsorción física, (B) conjugación covalente, (C) formación de películas.

La adsorción física es fácil de realizar pero es poco reproducible y depende grandemente de la fuerza iónica del medio. Por otra parte, la conjugación covalente da origen a monocapas estables de la enzima en la superficie electródica pero, como el método anterior, requiere de un proceso de preactivación de la superficie del electrodo y la inmovilización es irreversible. Finalmente, la formación de películas se puede llevar a cabo empleando polímeros electroactivos o de intercambio iónico en los cuales la enzima queda atrapada en la superficie electródica. Las fuerzas motrices en estos procesos son comúnmente interacciones de tipo electrostáticas o hidrofóbicas que determinan la fortaleza de la interacción y, por tanto, su estabilidad 27,28.

Una de las proteínas más estudiadas desde el punto de vista electroquímico ha sido el citocromo c. Bowden29 estudió la adsorción electrostática del citocromo c en un electrodo modificado con el ácido 16-mercaptohexadecanoico y determinó que la orientación de la proteína depende del pH del medio. La respuesta voltamétrica del citocromo c no se ve alterada por la inmovilización, lo cual permite inferir que la estructura de la proteína permanece intacta. Esto es de gran importancia ya que para cualquier aplicación relacionada con proteínas o enzimas inmovilizadas es necesario que su funcionalidad se vea lo menos alterada posible para lograr un máximo de actividad.

Bibliografía:

1. Gooding, J. J.; Mearns, F.; Yang, W.; Liu, J. Electroanalysis, 15, 81 (2003).
2. Ulman, A. Chem. Rev. 96, 1533 (1996).
3. Troughton, E. B.; Bain, C.D.; Whitesides, G. M.; Nuzzo, R. G.; Allara, D. L.; Porter, M. D. Langmuir, 4, 365 (1988).
4. Ulman, A, An Introduction to Ultrathin Organic Films-From Langmuir-Biodget to Self-Assembly; Academic Press: San Diego (1991).
5. Takehara, K.; Takemura, H.; Ide, Y. Electrochim. Acta. 39, 817 (1994).
6. Mielczarski, J. A.; Yoon, R. H. Langmuir, 7,101 (1991).
7. Edwards, T. R. G.; Cunnane, V. J.; Parsons, R.; Gani, D. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1041 (1989).
8. Cooper, M -J.; Grenough, K. R.; McNeil, C. J. J. Electroanal. Chem. 347, 267 (1993).
9. Ihs, A.; Liedberg, B. Langmuir, 10, 734 (1994).
10. Shimazu, K.; Sato, Y.; Yagi, Y.; Uosaki, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 67, 863 (1994)
11. Laibinis, P. E.; Whitesides, G. M. J. Am. Chem. Soc. 114, 9022 (1992).
12. Stratmann, M. Adv. Mater., 2, 191 (1990).
13. Beulen, M.W.J.; Bugler, J.; DeJong, M. R.; Lammerink, B.; Huskens, J.; Schonherr, H.; Vancso, G. J.; Boukamp, B. A.; Wieder, H.; Offenhauser, A.; Knoll, W.; vanVeggel, F. C.; Reinhoudt, D. N. Chem. Eur. J. 6, 1176 (2000).
14. Weisser, M.; Nelles, G.; Wenz, G.; Mittler-Neher, S. Sens. & Actuat. B. 58, 38 (1997).
15. Pingang, He.; Jiannong, Ye.; Fang, Y.; Suzuki, Y.; Osa, T. Anal. Chim. Acta, 337, 217 (1997).
16. D?Annibale, A.; Regoli, R.; Sangiorgio, P.; Ferri, T. Electroanalysis. 7, 11 (1999).
17. Maeda, Y.; Fukuda, T.; Yamamoto, H.; Kitano, H. Langmuir, 13, 4187 (1997).
18. Nelles, G.; Weisser, M.; Back, R.; Wenz, G.; Mittler-Neher, S. J. Am. Chem. Soc. 118, 5039 (1996).
19. Nelles, G.; Weisser, M.; Wohlfhahrt, P.; Wenz, G.; Mittler-Neher, S. J. Phys. Chem. 100, 17893 (1996).
20. Reinhoudt, D. N.; Geurts, J. A. Langmuir. 14, 6424 (1998).
21. Fukuda, T.; Maeda, Y.; Kitano, H. Langmuir, 15, 1887 (1999).
22. Cantarow, A.; Schepartz, B. Biochemistry, 2nd Ed., Saunders: Philadephia. p.744 (1957).
23. Harrison, A. G. Chemical Methods in Clinical Medicine, 3rd ed., Churchill: London, p.292 (1947).
24. Raj, R. C.; Ohsaka , T. J. Electrochem. Soc. 67, 1175 (1999).
25. Raj, R. C.; Ohsaka, T. J. Electroanal. Chem. 496, 44 (2001).
26. Raj, R. C.; Okajima. T.; Ohsaka , T. J. Electroanal. Chem. 543, 127 (2003)
27. Giz, J. M .; Doung, B.; Tao, J. N. J. Electroanal. Chem. 465, 72 (1999).
28. Malem, F.; Mandler, D. Anal. Chem., 65, 37 (1993).
29. Roy, P. R.; Okayima, T.; Ohsaka, T. Bioelectrochemistry, 589, 11 (2003).

Autor:

Javier Hernandez Obregon