Investigación - QUIANID
La investigación del QUIANID se desarrolla en el área de la Química Analítica a través de la generación de modernas metodologías analíticas para la valoración química de elementos tóxicos o esenciales y sus asociaciones químicas (especiación), temática de gran interés en áreas tan importantes como ciencia y tecnología de los materiales, de la tierra, el ambiente, y en el control de calidad de los alimentos, entre muchas otras. La investigación realizada se centra en el marco de diversas áreas generales:
- Aprovechamiento de propiedades de Líquidos Iónicos, Nanomateriales y Biomateriales en Química Analítica
- Desarrollo de métodos analíticos ecológicos o en el marco de la “Química Verde” (“Green Chemistry”)
- Diseño, desarrollo y aplicación de métodos analíticos con sistemas de micromanipulación de fluidos en plataformas instrumentales automatizadas
- Metalómica de elementos esenciales o tóxicos en células y plantas mediante técnicas instrumentales híbridas de separación y detección.
Algunas líneas de investigación en las que estamos trabajando incluyen:
1) Líquidos iónicos como solventes modernos para el desarrollo de técnicas de microextracción líquido-líquido y preconcentración elemental
En la última década los líquidos iónicos a temperatura ambiente (RTIL) han sido introducidos en la comunidad científica y tecnológica como alternativas al uso de solventes orgánicos convencionales volátiles. Así, las propiedades físicas y químicas particulares de estos nuevos solventes (elevado punto de ebullición, baja o nula presión de vapor, elevada conductividad eléctrica y térmica) los posicionan como los solventes del “futuro” para procesos industriales que preserven el ambiente y ya han generado avances importantes en áreas de gran trascendencia como la Nanotecnología.
Estructura molecular de un líquido iónico: [C8mim][PF6]
La presente línea de investigación tiene como principal objetivo la aplicación de los RTILs para el desarrollo de metodologías analíticas altamente selectivas y sensibles destinadas a la determinación y análisis de especiación de elementos tóxicos y/o esenciales de importancia en procesos de la vida y del medioambiente, tales como Mercurio, Arsénico, Selenio, Telurio, Cromo, Vanadio, Estaño, Cadmio y Plomo. Se estudian y caracterizan sistemas bifásicos empleando RTIL solos o combinados con reactivos complejantes para la extracción y/o preconcentración de los elementos conduciendo hacia metodologías analíticas sensibles y compatibles con el ambiente. El diseño y desarrollo de técnicas de microextracción líquido-líquido (DLLME, CIAME, SDME, ATPS, etc.) basadas en RTILs tiene especial interés con el objeto de disminuir significativamente el consumo de los solventes empleados (“Green Chemistry”), pero también conduce a alcanzar una elevada eficiencia de extracción de los analitos bajo estudio. Las técnicas de microextracción se implementan en sistemas de análisis en flujo (FIA y SIA) acoplados a técnicas espectrométricas atómicas (AAS, HG-AAS, ETAAS, AFS e ICP-MS). El desarrollo de microextracciones basadas en RTILs en sistemas de análisis de flujo acoplados a detectores elementales o moleculares permitirá en definitiva la generación de metodologías analíticas sensibles pero a la vez automatizadas lo cual incrementará notoriamente la eficiencia analítica de estos métodos. Los métodos desarrollados se aplican en estudios relacionados con la calidad de recursos naturales, alimentos y muestras biológicas en las cuales la determinación de elementos y sus diferentes formas químicas o especies es de suma importancia para comprender procesos bioquímicos, de contaminación ambiental y toxicológicos.
Diagrama esquemático de algunas técnicas de microextracción L-L basadas en RTILs.
2) Análisis de especiación de elementos esenciales o tóxicos y su rol en sistemas biológicos (Metalómica)
Las ciencias de la vida se benefician más y más del desarrollo de metodologías analíticas innovadoras. Hasta el momento, esto se refiere especialmente a la identificación, separación, y cuantificación de las diferentes formas bajo las cuales puede existir un elemento químico en muestras tan diversas como fluidos biológicos, tejidos y órganos, plantas, suelos y sedimentos, entre muchas otras. La palabra “especiación” se ha tornado extremadamente popular y es utilizada comúnmente en estudios relacionados con la distribución de un elemento químico entre sus diversas formas químicas o “especies”. Conocer la “especiación” de un elemento, como así también su estabilidad y cinética de disociación, son de vital importancia debido a la fuerte dependencia entre las especies elementales con la toxicidad, biodisponibilidad, bioacumulación, movilidad, y biodegradabilidad.
El desarrollo de metodologías analíticas altamente selectivas y sensibles para la identificación y determinación de especies elementales tóxicas y/o esenciales (“análisis de especiación”), constituye una de las principales demandas de la Química Analítica moderna. Los elementos vestigios pueden presentar beneficios o riesgos para los seres humanos, otras formas de vida, y el ambiente.
Diagrama esquemático de una técnica instrumental híbrida involucrando HPLC-ICP-MS utilizada para el análisis de especiación de As.
La introducción de la nanotecnología en la Química y en particular, el empleo de nanomateriales para el desarrollo de metodologías de extracción en fase sólida (SPE), es una alternativa muy atractiva para la remoción y preconcentración de contaminantes debido a la elevada área superficial y estabilidad química que presentan estos materiales en diversos medios inorgánicos como orgánicos y la posibilidad de incrementar la sensibilidad analítica.La línea de investigación sobre Metalómica del QUIANID tiene como propuesta central el desarrollo de metodologías analíticas modernas que utilizan acoplamientos instrumentales del tipo cromatografía líquida-detección elemental, para abordar la problemática analítica de la determinación de especies elementales. Los métodos cromatográficos se basan en diversos principios de separación tales como intercambio iónico (aniónico y catiónico), exclusión por tamaño y fase-reversa con formación de pares iónicos dentro de la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) con objeto de alcanzar la máxima discriminación de las especies elementales y a la vez incrementar la selectividad en la detección elemental mediante AAS, AFS, ICP-MS o ICP-OES. Algunos estudios ya iniciados por nuestro grupo comprenden los estudios de exposición de células de cáncer a elementos tóxicos (Cd y Hg) y la metabolización de Se en plantas del género Allium (ajo) bajo experimentos de biofortificación.
3) Nanomateriales híbridos aplicados al desarrollo de métodos de extracción en fase sólida para la determinación de elementos traza
La Nanotecnología es un campo emergente en rápido crecimiento, cuya dinámica y perspectivas plantea enormes retos a científicos e ingenieros. Se considera que la nanotecnología es una de las tecnologías clave del siglo XXI. Los nanomateriales pueden presentar diferentes propiedades físicas, químicas o biológicas en comparación con las mismas sustancias a escala normal. Así, puede observarse un aumento de las solicitudes de nanomateriales en los campos de la alimentación y el embalaje, al igual que en el sector farmacéutico, textil y cosmético, entre otros.
Por otro lado, el desarrollo de nanomateriales sorbentes para el control y remediación de la contaminación del agua es un tema de gran actualidad. La necesidad de agua es cada vez mayor, de hecho, el acceso a agua de calidad es a menudo difícil, sobre todo en países en vías de desarrollo. Además, el desarrollo de nanomateriales para el control de la calidad del agua es un tema muy importante en la actualidad. La necesidad de agua está incrementándose constantemente y el acceso a una buena calidad de la misma es con frecuencia difícil de conseguir en países subdesarrollados. Por ello, es necesario el desarrollo de metodologías analíticas que permitan una evaluación adecuada de la calidad del agua y la determinación de especies químicas contaminantes en base al uso de técnicas instrumentales disponibles en laboratorios analíticos de rutina.
En esta línea de investigación del QUIANID, se trabaja en la funcionalización de nanomateriales (ej. grafeno, nanotubos de carbono, nanotubos de aluminosilicatos, etc.) para promover beneficios analíticos tales como aumento de selectividad en la extracción y mayor eficiencia de retención hacia diversos analitos. En este marco, se estudian nuevas estrategias de síntesis y funcionalización de los nanomateriales. Entre ellas, la preparación de nanomateriales híbridos empleando líquidos iónicos (ILs) como una alternativa efectiva para introducir nuevos grupos funcionales en los nanomateriales es una estrategia posible y muy conveniente.
Funcionalización 3D de espuma de grafeno-Níquel con un líquido iónico. (A): espuma de Ni y (B) espuma de Ni funcionalizada.
4) Desarrollo de métodos analíticos separativos para la determinación compuestos quirales
Los aminoácidos son esenciales para la vida y poseen diversas funciones en el metabolismo. Una función particularmente importante es servir como bloques de construcción de péptidos y proteínas, dando lugar a estructuras tridimensionales complejas a través de enlaces disulfuro o aminoácidos reticulados. Unos 20 aminoácidos (AAs) codificados genéticamente comprenden los componentes básicos de estas proteínas. En suma, los selenoaminoácidos (SeAAs) – una clase de aminoácidos donde el azufre es sustituido por selenio- han demostrado ser una fuente directa para la biosíntesis de selenopéptidos y selenoproteínas por humanos y animales. Los SeAAs y AAs proteinógenos contienen un átomo de carbono quiral (con la excepción de la glicina), los estereoisómeros de todos estos aminoácidos y los péptidos en los que se encuentran pueden tener diferencias en cuanto a su actividad biológica en los sistemas vivos. En organismos, la mayoría de los aminoácidos incorporados en las proteínas son las formas L, mientras que los aminoácidos de las formas D que coexisten en suplementos como racematos o incluso como impurezas pueden causar toxicidad. Al mismo tiempo, la presencia del isómero D puede considerarse una indicativo de adulteración en diversos alimentos. De esta forma, cuando un enantiómero exhibe el efecto biológico deseado, el otro muestra un efecto más débil, nulo o incluso adverso. La resolución estereoselectiva de mezclas racémicas es un gran desafío debido a las propiedades fisicoquímicas únicas de los enantiómeros. Hoy en día, la discriminación enantiomérica ha liderado un área de investigación notable.
En este sentido, la importante tarea analítica consistente en la separación de isómeros se logra principalmente a través del desarrollo y aplicación de métodos cromatográficos eficientes.
Una clase particular de líquidos iónicos (ILs), de importancia creciente por sus capacidades potenciales de selectividad quiral, son los llamados ILs Quirales (CILs), donde el catión, anión o ambos pueden incorporar centros quirales. Al igual que los ILs no quirales, los CILs también se identifican como solventes potenciales para su uso en HPLC. La síntesis de CILs con solubilidad variada en agua y solventes orgánicos hace posible la miscibilidad de los mismos con distintos solventes empleados como fase móvil en HPLC. Además, no son inflamables, presentan alta conductividad iónica así como también gran estabilidad química y térmica. Por lo tanto, existe un interés creciente por el reemplazo de los solventes habituales con CILs no volátiles para detener la liberación de moléculas orgánicas inestables. Un tipo particular de CILs, son los derivados de aminoácidos (AAILs), los cuales además presentan como ventajas la biocompatibilidad, biodegradabilidad, reducida toxicidad y facilidad de modificación química.
El objetivo general de esta línea de trabajo es diseñar, desarrollar y aplicar metodologías analíticas sensibles y selectivas para la determinación de aminoácidos y selenoaminoácidos en alimentos, mediante la implementación de ILs, tanto quirales como no quirales, de modo de separar los analitos por cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). En esta línea de investigación se estudian y caracterizan CILs y AAILs así como también se evalúa la eficiencia de estos nuevos compuestos como selectores quirales y su aplicación de los CILs sintetizados como modificadores de la fase móvil para la separación enantiomérica directa de los isómeros L y D de AAs y SeAAs por HPLC.