Nanotubos de carbono. Empleo como material adsorbente para la determinación de metales

TESIS DE DOCTORADO NANOTUBOS DE CARBONO. EMPLEO COMO MATERIAL ADSORBENTE PARA LA DETERMINACIÓN DE METALES Jennifer Álvarez Méndez DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA, NUTRICIÓN Y BROMATOLOGÍA FACULTAD DE CIENCIAS LUGO 2015 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Departamento de Química Analítica, Nutrición y Bromatología Facultad de Ciencias Nanotubos de carbono. Empleo como material adsorbente para la determinación de metales Fdo: Jennifer Álvarez Méndez Memoria para optar al grado de Doctora en Química LUGO Septiembre 2015 Dna. Sagrario García Martín, Profesora Titular da Universidade, Dna. Rosa Mª Peña Crecente, Profesora Titular da Universidade e Dna. Julia Barciela García, Profesora Contratada Doutora, integrantes do Departamento de Química Analítica, Nutrición e Bromatoloxía da Universidade de Compostela. Como Directoras da Tese de Doutoramento titulada: “Nanotubos de carbono. Empleo como material adsorbente para la determinación de metales”. Presentada por Dna. Jennifer Álvarez Méndez, alumna do Programa de Doutoramento Industrias alimentarias: ciencia, enxeñaría e prevención de riscos laboráis. Autorizan a presentación da tese indicada, considerando que reúne os requisitos esixidos no artigo 34 do regulamento de Estudos de Doutoramento, e que como Director da mesma non incurre nas causas de abstención establecidas na lei 30/1992. Asdo. Sagrario García Martín Asdo. Rosa Mª Peña Crecente Asdo. Julia Barciela García Dna. Sagrario García Martín, Profesora Titular da Universidade, Dna. Rosa Mª Peña Crecente, Profesora Titular da Universidade e Dna. Julia Barciela García, Profesora Contratada Doutora, integrantes do Departamento de Química Analítica, Nutrición e Bromatoloxía da Universidade de Compostela. Como Directoras da Tese de Doutoramento titulada: “Nanotubos de carbono. Empleo como material adsorbente para la determinación de metales”. Pola presente DECLARAN: Que a tese presentada por Don/a Jennifer Álvarez Méndez, é idónea para ser presentada, de acordo co artigo 41 do Regulamento de Estudos de Doutoramento, pola modalidade de compendio de ARTIGOS, nos que o doutorando tivo participación no peso da investigación e a súa contribución foi decisiva para levar a cabo este traballo. E que está en coñecemento dos coautores, tanto doutores como non doutores, participantes nos artigos, que ningún dos traballos reunidos nesta tese serán presentados por ningún deles noutra tese de Doutoramento, o que asino baixo a miña responsabilidade. Lugo, a 3 de Septiembre de 2015. Asdo. Sagrario García Martín Asdo. Rosa Mª Peña Crecente Asdo. Julia Barciela García AGRADECEMENTOS Quixera dar os meus sinceros agradecementos a todas aquelas persoas que coa súa axuda durante estes anos fixeron posible a realización deste traballo. En primeiro lugar quero mostrar o meu agradecemento ás miñas directoras da tese, por confiar en min e darme a oportunidade de iniciarme no mundo da investigación. A Dra. Julia Barciela por acompañarme, guiarme e aconsellarme ao longo deste duro camiño, así como pola súa paciencia e axuda incondicional. A Dra. Rosa Peña pola seu constante apoio e dedicación, e tamén pola súa completa disposición á hora de resolver calquera dúbida ou problema e a Dra. Sagrario García pola súa supervisión e contribución a facer posible esta tese. O meu recoñecemento tamén ao Dr. Carlos Herrero, polo seu interese e amabilidade, pola súa colaboración e por tódolos consellos recibidos. Así mesmo, e fora xa do ámbito da universidade, quero facer unha mención especial ás "rapazas do Leiras", pola sorte que tiven ao contar con tan boas compañeiras, pois dende o primeiro día déronme mostras de apoio e ánimo, interesáronse polo meu traballo e tendéronme a man sempre que a necesitei. Por isto e polos bos anacos que compartimos, que van deixando unha pegada imborrable, grazas. Aos meus amigos, non fai falta que os nomee, eles saben quen son e o importantes que son para min. Grazas por estar sempre aí de xeito incondicional, por todos os momentos inesquecibles vividos ao voso lado e por todas esas palabras de ánimo cando as necesitei. Por último, e moi especialmente, á miña parella e á miña familia, porque mo destes todo e se cheguei ata aquí foi grazas a vós, á vosa infinita paciencia, o voso cariño, compresión e apoio incondicional. Porque todo o que son débovolo a vós. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ IV 2.8.1. Nanotubos usados como filtros y membranas ..................................................................... 47 2.8.2. Usos de los CNTs basados en sus propiedades eléctricas ................................................... 49 2.8.3. Usos de los CNTs basados en sus propiedades de adsorción ............................................. 51 2.8.3.1. CNTs usados en las técnicas de separación .................................................................. 51 2.8.3.1.1. Empleo de los CNTs en cromatografía .................................................................. 51 2.8.3.1.2. Empleo de CNTs en electroforesis capilar, electrocromatografía capilar y cromatografía electrocinética capilar ................................................................... 55 2.8.3.2. CNTs usados en sistemas de detección piezoeléctricos ................................................ 58 2.8.3.3. CNTs usados en MALDI-TOF-MS .............................................................................. 58 2.8.3.4. CNTs usados como adsorbente en extracción en fase sólida ........................................ 59 2.9. CNTS COMO ADSORBENTE PARA LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA DE METALES Y DETERMINACIÓN MEDIANTE TÉCNICAS ESPECTROMÉTRICAS ................................................... 67 2.9.1. Introducción ......................................................................................................................... 67 2.9.2. Factores a considerar .......................................................................................................... 69 2.9.3. Aplicaciones de los CNTs para la determinación de especies metálicas mediante SPE ..... 75 2.9.3.1. Aplicaciones de nanotubos de carbono brutos y oxidados ........................................... 75 2.9.3.1.1. Preconcentración del ión metálico en el nanotubo ................................................ 76 2.9.3.1.2. Preconcentración de quelatos metálicos en el nanotubo ........................................ 82 2.9.3.2. Aplicaciones de los nanotubos de carbono funcionalizados ......................................... 87 2.9.3.2.1. CNTs funcionalizados por reacciones químicas en los defectos ........................... 87 2.9.3.2.2. CNTs funcionalizados mediante interacciones físicas ........................................... 98 2.10. REFERENCIAS .......................................................................................................................... 103 2.11. PUBLICACIONES ...................................................................................................................... 122 Characterization of carbon nanotubes and analytical methods for their determination in environmental and biological samples: A review .................................................... 123 Carbon nanotubes as solid-phase extraction sorbents prior to atomic spectrometric determination of metal species: A review .................................................................... 141 3. PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................. 163 3.1. FUNCIONALIZACIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO Y SU EFECTO EN LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA .................................................................................................................................... 165 3.1.1. Introducción ....................................................................................................................... 165 3.1.2. Procedimiento experimental .............................................................................................. 168 3.1.2.1. Reactivos y material .................................................................................................... 168 Índice V 3.1.2.2. Funcionalización ......................................................................................................... 169 3.1.2.3. Caracterización ........................................................................................................... 171 3.1.2.3.1. Microscopía electrónica de transmisión ............................................................... 171 3.1.2.3.2. Ensayos de sedimentación .................................................................................... 171 3.1.2.3.3. Análisis por espectroscopía de infrarrojo ............................................................. 171 3.1.2.3.4. Análisis por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X ....................................... 172 3.1.2.3.5. Análisis por valoración ácido-base de Boehm...................................................... 172 3.1.2.3.6. Empleo de los CNTs en columnas de SPE ........................................................... 172 3.1.3. Resultados ......................................................................................................................... 173 3.1.3.1. Estructura morfológica ............................................................................................... 173 3.1.3.2. Ensayos de sedimentación .......................................................................................... 175 3.1.3.3. Análisis por espectroscopía de infrarrojo ................................................................... 177 3.1.3.4. Análisis por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X ............................................. 179 3.1.3.5. Análisis por valoración ácido-base de Boehm............................................................ 183 3.1.3.6. Empleo de los CNTs en columnas de SPE ................................................................. 184 3.1.4. Conclusiones ..................................................................................................................... 185 3.1.5. Referencias ........................................................................................................................ 186 3.2. NUEVO MÉTODO DE PRECONCENTRACIÓN MEDIANTE INYECCIÓN EN FLUJO BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED MÚLTIPLE PARA LA DETERMINACIÓN DE CADMIO EN ORINA POR ETAAS .................................................................................................................. 189 3.2.1. Introducción ...................................................................................................................... 190 3.2.2. Parte experimental ............................................................................................................ 192 3.2.2.1. Instrumentación .......................................................................................................... 192 3.2.2.2. Reactivos .................................................................................................................... 193 3.2.2.3. Programa estadístico................................................................................................... 193 3.2.2.4. Muestras de orina ....................................................................................................... 194 3.2.2.5. Procedimientos analíticos ........................................................................................... 194 3.2.2.5.1. Método ETAAS directo para la determinación de cadmio en orina ..................... 194 3.2.2.5.2. Método ETAAS para la determinación de cadmio en orina después de la preconcentración en columna con MWCNTs ..................................................... 194 3.2.3. Resultados y discusión ....................................................................................................... 195 3.2.3.1. Pretratamiento de los MWCNTs y preparación de la microcolumna ......................... 195 3.2.3.2. Optimización de la etapa de extracción/preconcentración ......................................... 196 3.2.3.2.1. Efecto del pH ........................................................................................................ 196 J. ÁLVAREZ MÉNDEZ VI 3.2.3.2.2. Influencia de la velocidad de flujo de muestra .................................................... 197 3.2.3.2.3. Efecto de los parámetros de elución .................................................................... 198 3.2.3.2.4. Efecto de los factores de la orina (porcentaje de orina, volumen de la disolución de muestra) y masa de adsorbente ...................................................................... 199 3.2.3.2.5. Reutilización de la columna ................................................................................. 200 3.2.3.3. Optimización de los programas de ETAAS ................................................................ 201 3.2.3.3.1. Optimización del programa ETAAS para cadmio en orina ................................. 201 3.2.3.3.2. Optimización del programa ETAAS para el eluyente ......................................... 202 3.2.3.3.3. Evaluación de interferencias ................................................................................ 202 3.2.3.4. Características analíticas del método .......................................................................... 203 3.2.3.5. Análisis de muestras reales ......................................................................................... 206 3.2.4. Conclusiones ...................................................................................................................... 206 3.2.5. Referencias ........................................................................................................................ 208 3.2.6. Publicación ........................................................................................................................ 211 A new flow injection preconcentration method based on multiwalled carbon nanotubes for the ETA-AAS determination of Cd in urine ....................................... 213 3.3. NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED MÚLTIPLE COMO MATERIAL ADSORBENTE PARA LA EXTRACCION EN FASE SÓLIDA DE PLOMO EN ORINA Y SU POSTERIOR DETERMINACIÓN POR ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA ............. 221 3.3.1. Introducción ....................................................................................................................... 222 3.3.2. Material y métodos ............................................................................................................ 223 3.3.2.1. Aparatos y programa estadístico ................................................................................. 223 3.3.2.2. Reactivos .................................................................................................................... 224 3.3.2.3. Pretratamiento de los MWCNTs y preparación de la microcolumna ......................... 225 3.3.2.4. Muestras de orina ........................................................................................................ 225 3.3.2.5. Procedimiento analítico SPE-ETAAS ........................................................................ 225 3.3.3. Resultados y discusión ....................................................................................................... 226 3.3.3.1. Optimización de la SPE .............................................................................................. 226 3.3.3.2. Efecto de la dilución de la orina, volumen de muestra y masa de adsorbente ............ 229 3.3.3.3. Optimización de las condiciones ETAAS .................................................................. 229 3.3.3.4. Evaluación de interferencias ....................................................................................... 231 3.3.3.5. Reutilización de la columna........................................................................................ 231 3.3.3.6. Características analíticas del método .......................................................................... 232 3.3.3.7. Análisis de muestras reales de orina ........................................................................... 236 Índice VII 3.3.4. Conclusiones ..................................................................................................................... 236 3.3.5. Referencias ........................................................................................................................ 237 3.3.6. Publicación ........................................................................................................................ 239 Multiwalled carbon nanotubes as a sorbent material for the solid phase extraction of lead from urine and subsequent determination by electrothermal atomic absorption spectrometry ............................................................................................ 241 3.4. DETERMINACIÓN DE CADMIO Y PLOMO EN ORINA DESPUÉS DE SU EXTRACCIÓN SÓLIDOLÍQUIDO DISPERSIVA EN NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED MÚLTIPLE POR ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA USANDO SUSPENSIONES ......................................................................................................................... 247 3.4.1. Introducción ...................................................................................................................... 248 3.4.2. Parte experimental ............................................................................................................ 250 3.4.2.1. Aparatos ..................................................................................................................... 250 3.4.2.2. Reactivos .................................................................................................................... 250 3.4.2.3. Programa estadístico................................................................................................... 251 3.4.2.4. Muestras de orina y materiales de referencia certificados .......................................... 251 3.4.2.5. Preparación de los MWCNTs ..................................................................................... 251 3.4.2.6. Procedimiento analítico DSPE–SS–ETAAS .............................................................. 252 3.4.3. Resultados y discusión ....................................................................................................... 253 3.4.3.1. Optimización de las condiciones de ETAAS ............................................................. 253 3.4.3.2. Cribado de los factores que influyen en la preconcentración de los metales en los MWCNTs por DSPE y en la preparación del slurry .................................................. 254 3.4.3.2.1. Preconcentración de los metales en los MWCNTs por DSPE ............................. 254 3.4.3.2.2. Preparación del slurry .......................................................................................... 256 3.4.3.3. Optimización de los factores que influyen en la preconcentración de los metales en los MWCNTs por DSPE y en la preparación del slurry ............................................. 258 3.4.3.4. Optimización del volumen del slurry ......................................................................... 260 3.4.3.5. Características analíticas ............................................................................................ 261 3.4.3.6. Análisis de muestras reales de orina ........................................................................... 266 3.4.4 Conclusiones ...................................................................................................................... 267 3.4.5. Referencias ........................................................................................................................ 268 3.4.6. Publicación ........................................................................................................................ 270 Determination of cadmium and lead in urine samples after dispersive solid–liquid extraction on multiwalled carbon nanotubes by slurry sampling electrothermal atomic absorption spectrometry orina ....................................................................... 271 J. ÁLVAREZ MÉNDEZ VIII 5. CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 281 5. ANEXO ........................................................................................................................................... 289 5.1. ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS ................................................................................................. 289 Resumen IX RESUMEN Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono (CNTs) en 1991, se hizo patente su evidente potencial como material adsorbente para la extracción en fase sólida (SPE) debido a su elevada área superficial y volumen interno, su estabilidad, resistencia mecánica y la posibilidad de establecer interacciones π-π. En esta tesis doctoral y tras una amplia revisión bibliográfica, se presenta una visión general de las tendencias en el uso de CNTs para la determinación de especies metálicas en muestras ambientales, biológicas y alimentarias mediante SPE. Se ha descrito también la síntesis, purificación, así como las diversas estrategias para su funcionalización. Como los procedimientos de síntesis de nanotubos disponibles en la actualidad no aseguran la homogeneidad del producto en relación con su longitud y con su diámetro, y teniendo en cuenta que su toxicidad depende de su morfología, en los últimos años se ha hecho un gran esfuerzo para caracterizar los CNTs. En este trabajo se presenta una revisión de las técnicas usadas para la caracterización de los nanotubos de carbono basada en más de 170 referencias en el período 2000-2014. Durante la realización de esta tesis doctoral se han desarrollado nuevos métodos de extracción en fase sólida para la determinación de metales traza en muestras de orina usando MWCNTs (nanotubos de carbono de pared múltiple). En primer lugar, y debido a la gran tendencia a la agregación espontánea que presentan los CNTs puros, se han estudiado diferentes procesos de oxidación de los mismos ya que la funcionalización con grupos carboxílicos, hidroxilo, etc. mejora su solubilidad y su capacidad de adsorción. Para evaluar la eficacia de la oxidación realizada se han empleado diferentes técnicas de caracterización y se estudió su uso como adsorbentes en sistemas de SPE. Se han desarrollado dos nuevos métodos de inyección en flujo (FIA) por espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica (ETAAS) para la determinación de cadmio y plomo en orina. En ambos casos, el Cd y el Pb se separaron de la matriz de orina por medio de un procedimiento de extracción en fase sólida, utilizando MWCNTs oxidados como material adsorbente y posteriormente fueron cuantitativamente eluidos con ácido nítrico. Los efectos de los parámetros que influyen en los procesos de adsorción-elución y las J. ÁLVAREZ MÉNDEZ X condiciones de espectrometría atómica se estudiaron por medio de diferentes estrategias de diseño factorial. Los métodos desarrollados mostraron unas adecuadas características analíticas y se aplicaron con éxito a la determinación de cadmio y plomo en muestras de orina de personas sanas. Por último se ha desarrollado un nuevo método para la determinación conjunta de Cd y Pb en muestras de orina, el cual implica una extracción en fase sólida dispersiva (DSPE) y la determinación directa de ambos metales mediante espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica en las suspensiones obtenidas. Como material adsorbente se emplearon, al igual que en los casos anteriores, nanotubos de carbono multipared oxidados. El método obtenido es sensible, rápido, está libre de interferencias de matriz y evita las etapas de adsorción y elución necesarias en los procedimientos de SPE empleados habitualmente. Se aplicó para la determinación de Cd y Pb en muestras de orina de personas sanas no expuestas, obteniéndose unos resultados satisfactorios. Objetivos 3 1. OBJETIVOS La determinación de metales presentes a niveles traza en muestras complejas requiere el empleo de técnicas de espectrometría debido a sus características analíticas: buena selectividad y sensibilidad adecuada. Sin embargo, a pesar de la elevada sensibilidad de estas técnicas, en ciertos casos ésta no es suficiente para determinar la concentración del metal a los bajos niveles en que pueden encontrarse en algunas muestras biológicas y/o medioambientales y además, como consecuencia de las interferencias de matriz, estas técnicas tienen algunas limitaciones. Por lo que, a pesar de los avances en instrumentación analítica, los procedimientos de separación y preconcentración siguen siendo una estrategia analítica esencial previa a la propia etapa de determinación del analito. Por estas razones, en los últimos años, ha aumentado considerablemente el estudio del uso de los nanotubos de carbono como adsorbentes en extracción en fase sólida para la determinación de metales. Como consecuencia de lo expuesto, en el presente trabajo se han planteado los siguientes objetivos: 1.- Realizar un estudio previo sobre el estado de conocimiento de los nanotubos de carbono: procesos de síntesis, propiedades, purificación y funcionalización, caracterización y aplicaciones haciendo especial hincapié en:  La descripción de las técnicas de caracterización de nanotubos de carbono más importantes.  La presentación de una visión general de las aplicaciones de los nanotubos de carbono para la preconcentración en fase sólida de metales en diversas matrices y su posterior determinación mediante técnicas de espectrometría atómica. 2.- Llevar a cabo diferentes procedimientos de funcionalización de nanotubos de carbono multicapa, evaluando con cuál de ellos se logra una mejor funcionalización, con el fin de emplearlos posteriormente en la preconcentración de metales traza. Para ello se aplicarán diferentes técnicas de caracterización como la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la espectroscopía de infrarrojo (IR), la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), se realizarán ensayos de sedimentación, cuantificación de los grupos funcionales J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 10 Los nanotubos de carbono con diferente estructura o quiralidad presentarán distribuciones electrónicas distintas y por ello propiedades físicas y químicas diferentes. Cuando n-m es múltiplo de tres, el nanotubo será altamente conductor o metálico y en los demás casos, los nanotubos se consideran semiconductores o semimetálicos [5]. En cuanto a los MWCNTs, se pueden formar según dos modelos estructurales: el modelo muñeca rusa (Russian Doll model) y el modelo pergamino (Parchment model). El modelo muñeca rusa corresponde a la estructura de un nanotubo que contiene otro u otros en su interior y en la cual el diámetro del nanotubo externo es mayor que el diámetro del nanotubo interno. Por su parte, el modelo pergamino se corresponde con una lámina de grafeno simple enrollada varias veces sobre sí misma. Tanto los MWCNTs como los SWCNTs tienen propiedades similares, aunque debido a la naturaleza multicapa de los MWCNTs, sus paredes externas, no sólo ofrecen protección a las capas internas de interacciones con otras sustancias, sino que también les proporcionan una elevada resistencia a esfuerzos de tensión, que no existe en los SWCNTs (o existe sólo parcialmente). En general, la presencia de defectos estructurales suele ser indeseable, pero en el caso de los nanotubos puede dar lugar a nuevas e interesantes estructuras. Las deformaciones, como por ejemplo curvaturas o uniones, aparecen cuando un hexágono es sustituido por un pentágono o heptágono y afectan seriamente, entre otras, a las propiedades eléctricas. Además se pueden considerar defectos aquellas impurezas introducidas durante la síntesis de los nanotubos, como por ejemplo los catalizadores empleados. También se pueden producir modificaciones al soldar los nanotubos con una radiación de electrones, formándose cruces de nanotubos al establecerse uniones moleculares estables. La exposición a un haz de electrones a elevada temperatura, procedente por ejemplo de un microscopio de transmisión, induce defectos estructurales que fomentan la unión de nanotubos [10]. Este hecho se pone de manifiesto en la Figura 5; en la Figura 5A pueden verse dos nanotubos cruzados con diámetros aproximados de 2.0 nm y 0.9 nm y en la Figura 5B se observa que tras 60 segundos de irradiación con electrones se promueve una unión molecular entre los dos nanotubos dando lugar a una unión en forma de X. Las imágenes inferiores de las Figuras 5A y 5B presentan los modelos moleculares donde los defectos estructurales (anillos heptagonales) están marcados en rojo. La micrografía de microscopía electrónica de Introducción 11 transmisión de alta resolución (HRTEM) y su correspondiente modelo molecular Figura 5C son un ejemplo de una unión tipo Y formada a partir de la irradiación de una unión tipo X. 2.3. PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO Los nanotubos de carbono son un material con unas excelentes propiedades que los hacen válidos para multitud de aplicaciones. Se caracterizan por tener áreas superficiales muy elevadas, por ser insolubles en agua debido a su naturaleza química, por su tendencia a agregarse entre sí en haces de varios cientos de tubos [11] y por sus espacios huecos, los cuales ofrecen muchas posibilidades interesantes ya que pueden servir para almacenar moléculas huésped y para llevar a cabo diferentes reacciones químicas [12]. En la Tabla 1 se muestran sus principales propiedades físicas y, aunque no hay consenso sobre éstas, está claro que los CNTs tienen muchas ventajas sobre otras formas alotrópicas del carbono en cuanto a propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. A continuación se describen brevemente. Figura 5. Imágenes de HRTEM y modelos moleculares: A) cruce de dos nanotubos; B) estructura obtenida tras 60 segundos de irradiación con electrones;C) unión tipo Y formada a partir de la irradiación de una unión tipo X. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 12 Tabla 1. Propiedades físicas de las diferentes formas alotrópicas del carbono [3,15]. Forma alotrópica del carbono grafito diamante fullerenos SWCNT MWCNT Densidad (g cm-3) 1.9-2.03 3.52 1.7 0.8 1.8 Conductividad eléctrica (S cm-1) 4000p-3.3c 10-2-10-15 10-5 102-106 103-105 Movilidad eléctrica (cm2 V-1s-1) 2.0 x 104 1800 0.5-6 105 104-105 Conductividad térmica (W m-1K-1) 298p-2.2c 900–2320 0.4 6000 2000 Coeficiente de expansión térmica (K-1) -1 x 10-6p 13 x 10-6 6.2 x 10-5 Insignificante Insignificante Estabilidad térmica en aire (ºC) 450-650 <600 600 >600 >600 Resistencia mecánica (GPa) - - - 50-500 10-50 Módulo elástico (TPa) 1p - - 1 0.3-1 p: en plano; c: axial 2.3.1. Propiedades eléctricas Los CNTs tienen unas propiedades eléctricas extraordinarias, su quiralidad tiene un impacto significativo en sus propiedades eléctricas, ya que en función de ésta pueden ser conductores o semiconductores. Los SWCNTs tipo armchair (n = m) son siempre de carácter metálico, mientras que los quirales o zig-zag son metálicos cuando n-m es múltiplo de tres, calculándose entonces que un tercio de las posibles helicidades corresponden a nanotubos metálicos [9]. Las propiedades eléctricas de los MWCNTs son bastante similares a las de los SWCNTs, ya que el acoplamiento entre las diferentes capas de los MWCNTs es muy débil. Tanto en MWCNTs como en SWCNTs metálicos, debido a su estructura electrónica unidimensional, el transporte de electrones tiene lugar a lo largo de toda la longitud del tubo, permitiendo así una gran conductividad sin que se produzca calentamiento [13]. De hecho, los CNTs pueden transportar una densidad de corriente mayor que la transportada por un cable de cobre del mismo diámetro. 2.3.2. Propiedades mecánicas Se ha comprobado, tanto por microscopía electrónica de transmisión (TEM) como por microscopía de fuerza atómica (AFM), que los nanotubos son estructuras altamente elásticas, flexibles y que llegan a soportar grandes torsiones (Figura 6), poseyendo una elasticidad mayor que cualquier otro material conocido hasta el momento [14]. Bajo fuerzas de compresión elevadas pueden doblarse, retorcerse y volver a su forma original sin que el Introducción 13 nanotubo resulte dañado. Aun así su elasticidad tiene un límite y bajo fuerzas muy grandes es posible deformarlos. Su densidad puede ser tan baja como 0.8 g cm-3 (una sexta parte la del acero inoxidable), mientras que su módulo de Young es superior al de todas las fibras de carbono, con valores de hasta 1 TPa (aproximadamente cinco veces mayor al del acero). Sin embargo es su resistencia a fuerzas de tracción lo que realmente los diferencia de otros materiales [7]. El enlace covalente en los nanotubos de carbono está basado en sus uniones carbono-carbono tipo sp2, este enlace es más fuerte que los sp3 que se encuentran en el diamante [15], haciendo que los CNTs tengan una resistencia a la tracción mayor incluso que la del acero, pudiendo llegar a soportar fuerzas de tracción de 50-500 GPa. Es importante también señalar que sus propiedades mecánicas dependen de manera importante de la presencia o no de defectos estructurales. 2.3.3. Conductividad térmica Como resultado de la fuerza de los enlaces atómicos existentes en los CNTs, además de resistir elevadas temperaturas, también se ha demostrado que son muy buenos conductores térmicos. Pueden soportar hasta 750 ºC en condiciones normales y hasta 2800 ºC a presiones reducidas [5] y en cuanto a la conductividad térmica a temperatura ambiente, la de un MWCNT individual (>2000 W m-1K-1) es mayor que la del diamante natural y que la del grafito [13]. Al hablar sobre esta propiedad es importante indicar que, como diferentes autores han demostrado, se ve afectada por la temperatura. Así en 1999, J. Hone y col. [16] comprobaron que la conductividad térmica de los nanotubos mantiene una relación casi lineal con la temperatura. En el año 2000, Berber y col. [17] determinaron la conductividad térmica de los nanotubos de carbono y su dependencia de la temperatura, confirmando los estudios previos de Hone. Sin embargo, sugirieron que las gráficas de dependencia de la conductividad térmica con la temperatura eran mucho menos lineales que las propuestas previamente por éste. En Figura 6. Micrografía TEM de alta resolución donde se demuestra la flexibilidad de un nanotubo de carbono [9]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 14 lugar de una gráfica casi lineal con pendiente positiva, su trabajo mostró una pendiente positiva desde bajas temperaturas hasta 100 K, donde la conductividad térmica alcanza su valor máximo (alrededor de 37000 W m-1K-1). Es a partir de ahí, cuando la conductividad térmica cae drásticamente hasta un valor de alrededor de 3000 W m-1K-1 cuando la temperatura alcanza los 400 K (Figura 7). Se puede establecer por tanto que la conductividad térmica de los CNTs depende de forma importante de la temperatura, y que posiblemente depende también de la concentración de electrones y de los huecos presentes [18]. Figura 7. Conductividad térmica como función de la temperatura (Berber y col.) [17]. 2.3.4. Reactividad La reactividad química de los nanotubos de carbono, ha sido objeto de numerosos estudios [19,20]. Las paredes del nanotubo no son reactivas, pero sus extremos de tipo fullereno tienen la característica de ser más activos [21]. Aun así, la reactividad química de un nanotubo es más elevada que la de una lámina de grafeno, debido a la curvatura de la superficie, y menor que la de los fullerenos que soportan una gran tensión debido a su forma esférica (Figura 8). La explicación a estas diferentes reactividades es que el radio de la curvatura de los Figura 8. Ángulo Piramidal (θp). Introducción 15 nanotubos hace que los enlaces C-C no sean planos como lo serían de haber una hibridación sp2 pura, donde el ángulo piramidal es θp= 0º, sino que adopta cierto carácter sp3, donde el ángulo piramidal es θp= 19.5º [22]. Cuando la curvatura del nanotubo aumenta, θp también aumenta, lo que explica que los CNTs sean más reactivos que una capa de grafeno plana y menos reactivos que los fullerenos en los cuales θp es 11.6º. La reactividad química de los nanotubos dependerá en gran manera del tipo de síntesis empleada, y por ello del número de defectos. 2.4. SÍNTESIS DE NANOTUBOS DE CARBONO Los nanotubos pueden ser producidos por diferentes técnicas, siendo las más empleadas, debido a su rendimiento: la descarga de arco eléctrico (CAD), la ablación por láser (LA) y la deposición química de especies carbonosas en fase vapor, comúnmente denominada CVD. Además también se producen nanotubos utilizando la técnica de evaporación inducida por energía solar, por electrólisis o por pirólisis de un hidrocarburo en una llama, entre otras. En la actualidad, se continúa investigando para desarrollar otras técnicas de síntesis o mejoras de las actuales, ya que para poder llevar a cabo aplicaciones a gran escala se ha de disponer de técnicas capaces de producir estas estructuras en grandes cantidades y de forma económica. Pero además, también se busca controlar, durante el proceso de síntesis, parámetros como la pureza de los CNTs, su configuración (quiralidad) y su calidad estructural. 2.4.1. Descarga de arco eléctrico Esta técnica es una de las más antiguas para la producción de nanotubos, y la primera utilizada por Iijima en 1991 [2]. El proceso de descarga de arco eléctrico (CAD) emplea temperaturas elevadas (por encima de 1700 ºC) y permite la obtención de CNTs con menos defectos estructurales que otros métodos de síntesis [5]. La descarga se realiza entre dos electrodos fabricados en material carbonoso (normalmente grafito con o sin metales) con unos diámetros entre 6 y 12 mm y refrigerados por agua. Estos electrodos se colocan en una cámara muy cerca uno del otro (separados 1-2 mm), en una atmósfera inerte de helio (también se puede utilizar hidrógeno o J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 16 metano) [23] y a una presión inferior a la atmosférica (500 Torr). En la Figura 9 se muestra un dispositivo experimental típico de descarga de arco eléctrico [24]. Al aplicar una diferencia de potencial (25-40 V) y una corriente continua (50-150 A) se genera un plasma que evapora el material hacia el cátodo. El tiempo de la reacción varía de 3060 s a 2-10 min [25]. Durante este proceso, aproximadamente la mitad del carbono evaporado se solidifica sobre el cátodo, formando un depósito que crece a una velocidad de 1 mm min-1 [26] y que se conoce como “estructura de cigarrillo”, mientras que el ánodo se consume. El carbono restante se condensa como hollín sobre la periferia y sobre el cátodo. El núcleo interno de este hollín, que es oscuro y suave, está formado por SWCNTs, MWCNTs y por partículas grafíticas poliédricas anidadas. La obtención de CNTs por descarga de arco eléctrico se puede realizar por dos métodos distintos: con o sin catalizadores. La síntesis de MWCNTs, generalmente se puede realizar en ausencia de catalizadores; sin embargo para la síntesis de SWCNTs se utilizan diferentes catalizadores, siendo el ánodo un material complejo constituido por grafito y un metal como por ejemplo Gd [27], Co, Ni, Fe, Ag, Pt, Pd, etc., o mezclas como Co-Pt, Co-Ru [28], Ni-Y, Fe-Ni, Co-Ni, Co-Cu, Ni-Cu, Fe-No, Ni-Ti, Ni-Y, etc. Se ha demostrado, que la mezcla Ni-Y-grafito en el ánodo es la que produce el mayor rendimiento (< 90 %) de SWCNTs con un diámetro medio de 1.4 mm, y es ampliamente utilizada hoy en día para la obtención de nanotubos de carbono monocapa [29]. Esta técnica permite producir del orden de gramos por día de material carbonoso con una alta densidad de SWCNTs mezclados con cierta cantidad de impurezas [30]. Figura 9. Dispositivo experimental empleado en la producción de nanotubos de carbono por CAD [24]. Introducción 17 Los SWCNTs producidos por CAD suelen presentar una estrecha distribución de diámetros comprendida entre 1.2 y 1.8 nm, como demuestran los estudios de microscopía, y están siempre formados por “manojos” de nanotubos. En el caso de los MWCNTs producidos sin catalizador, su diámetro interior varía de 1 a 3 nm, el diámetro exterior de 2 a 25 nm y la longitud de los tubos no excede de 1 μm [25]. Es importante señalar que son varios los factores físicos y químicos que influyen en el proceso de descarga de arco eléctrico, y que es necesario tener presentes, ya que van a condicionar la nucleación y crecimiento de los CNTs y por tanto sus diámetros. Entre estos factores están la concentración del vapor de carbono, la temperatura en el reactor, la composición del catalizador, la adición de promotores y la presencia de hidrógeno. Por último es preciso indicar que, frente a otros métodos, la principal ventaja del método de descarga de arco eléctrico es su capacidad y potencial para producir grandes cantidades de nanotubos. Como desventaja hay que señalar la gran cantidad de energía necesaria, el poco control sobre el alineamiento (por ejemplo quiralidad) de los nanotubos creados, así como la posterior necesidad de purificar los nanotubos obtenidos al tener que usar metales como catalizadores [5]. 2.4.2. Ablación por láser Esta técnica fue descubierta por Smally y col. en 1995 [24,31], mientras estudiaban el efecto de la incidencia del láser sobre metales. Los principios y mecanismos de esta técnica de síntesis son similares a los de la técnica de descarga de arco, pero en este caso la energía necesaria para la evaporación del carbono es proporcionada por un láser [32]. En la Figura 10 se muestra el dispositivo experimental típico para la producción de nanotubos de carbono mediante ablación por láser. En este dispositivo un rayo láser de alta potencia (tipo YAG de luz infrarroja visible y a una longitud de onda de 532 nm [25]) es dirigido hacia una barra de grafito contenida en un tubo de cuarzo y calentada en un horno a 1200 ºC en una atmósfera de Ar [33]. El hollín producido por la vaporización láser, es arrastrado por una corriente de Ar desde la zona de alta temperatura hasta el final del tubo de cuarzo y depositado en un colector de cobre situado fuera del horno y refrigerado por agua. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 18 Para la síntesis de SWCNTs, al igual que en la técnica de descarga de arco, son necesarias partículas metálicas que actúen como catalizadores [24]. Los mejores rendimientos y los SWCNTs más puros se obtienen cuando se emplean precursores de grafito mezclados uniformemente con Co y Ni (1 %), llegando a lograrse rendimientos del 80 % [12] y producciones de 80 mg al día con una pureza entorno al 90 % [34,25]. La mayoría de impurezas obtenidas son de carbón amorfo, partículas de grafito, catalizadores y fullerenos. Además los CNTs obtenidos son más homogéneos que los producidos mediante descarga, presentan un diámetro muy uniforme y aparecen en “manojos” de cientos de SWCNTs de 5-20 nm de diámetro y de 10-100 μm de longitud [12]. Al igual que en el caso de la descarga por arco, es importante señalar que hay una serie de factores que es necesario tener en cuenta, ya que influyen tanto en la calidad como en la cantidad de material producido. Entre ellos cabe destacar: las propiedades del láser (potencia, longitud de onda, frecuencia de repetición), el tipo y presión de gas empleado, la composición química, presión y temperatura de la cámara, los metales empleados en el catalizador y la distancia entre el objetivo y los sustratos [5]. En cuanto a las ventajas e inconvenientes frente a otras técnicas, las principales ventajas de la ablación por láser son los elevados rendimientos que se llegan a alcanzar, así como el bajo contenido en impurezas metálicas, ya que los átomos metálicos involucrados tienden a evaporarse. Desafortunadamente, y como inconveniente, este método no resulta económicamente ventajoso, ya que necesita barras de grafito ultrapuras y la energía láser requerida es muy grande (en ocasiones incluso se usan dos fuentes de laser). Además, frente a la técnica de descarga por arco, la cantidad de nanotubos sintetizada por sesión no es tan alta, y el material obtenido no es un nanotubo uniforme sino que tiene algunas ramificaciones. Figura 10. Dispositivo experimental empleado en la producción de nanotubos de carbono mediante ablación por láser [25]. Introducción 19 2.4.3. Deposición química en fase vapor Tras numerosos esfuerzos por desarrollar técnicas de producción que permitiesen obtener nanotubos con unas características predefinidas, en 1996 surge la deposición química en fase vapor (CVD), técnica considerada hoy en día como la más viable económicamente para la producción de nanotubos de carbono a gran escala [25]. Se basa en la descomposición catalítica de hidrocarburos o monóxido de carbono y la posterior deposición de esos átomos sobre un catalizador [25]. Los hidrocarburos más utilizados son acetileno, etileno, metano, y benceno. En la Figura 11 se muestra el dispositivo experimental típico empleado en la producción de nanotubos de carbono por CVD. Este proceso se lleva a cabo en un tubo de cuarzo, situado en el interior de un sistema de dos hornos y bajo condiciones de presión atmosférica. En el primer horno tiene lugar la evaporación del material carbonoso de partida y una corriente de gas (hidrógeno, nitrógeno o amoníaco) arrastra el vapor a la zona situada en el segundo horno, que está a una temperatura superior a la del primero (normalmente entre 600 y 1200 ºC). En esa segunda zona es donde se encuentra el catalizador disperso sobre un soporte, y es en este punto donde se produce el crecimiento de los nanotubos. El material del soporte es generalmente silicio, pero también se utilizan vidrio y alúmina, mientras que los catalizadores son nanopartículas metálicas como Fe, Co y Ni que se pueden depositar sobre el soporte mediante evaporación, usando un haz de electrones, por bombardeo iónico o por deposición Figura 11. Dispositivo experimental empleado en la producción de nanotubos de carbono por CVD [12]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 26 Tabla 3. Ventajas e inconvenientes de diversos métodos de funcionalización de CNTs [15]. Funcionalización Métodos Principio Posible daño a los CNTs Facilidad de uso Reaglomeración de los CNTs en la matriz Superficial Químicos Por enlace covalente en las paredes Cambio de hibridación de los átomos de C de sp2 a sp3  x  Por defectos Transformación por defecto    Físicos Por envoltura de polímero Fuerzas de van der Waals, interacciones π-π x  x Por adsorción de surfactante Adsorción física x  x Interna Efecto capilar x x  2.6.1. Funcionalización superficial La funcionalización superficial se puede llevar a cabo por métodos químicos (funcionalización covalente, a través de defectos) o físicos (funcionalización no covalente). Los métodos químicos normalmente dañan la estructura de los CNTs y son procesos irreversibles, mientras que en los físicos, generalmente, la estructura queda intacta y el proceso es reversible. 2.6.1.1. Funcionalización química La funcionalización química se basa en la unión de varios grupos funcionales a los extremos o a las paredes de los nanotubos mediante enlaces covalentes. De esta forma, además de mejorar la solubilidad, también es posible alterar la estructura y propiedades de los mismos, obteniéndose nuevos tipos de materiales con características útiles. La funcionalización covalente directa de las paredes está asociada con un cambio de hibridación de sp2 a sp3 y a la pérdida simultánea de la conjugación de los nanotubos [3,15,65]. Este proceso puede llevarse a cabo haciendo reaccionar los CNTs con moléculas de reactividad excepcionalmente alta, como por ejemplo flúor. Los nanotubos de carbono fluorados tienen enlaces C-F débiles, proporcionando así sitios de sustitución para Introducción 27 funcionalizaciones adicionales [66,67]. Se han logrado con éxito reemplazos de los átomos de flúor, por grupos amino, alquilo e hidroxilo [68,69]. Además de la fluoración de la pared lateral de los CNTs existen otros métodos similares, entre los que se incluyen la cicloadición, cloración, bromación e hidrogenación. La funcionalización a través de defectos, es otro método de funcionalización química que aprovecha la transformación química de los sitios de los CNTs con defectos. Pueden considerarse sitios defectuosos los extremos abiertos, los agujeros en las paredes laterales, las irregularidades en la estructura hexagonal del grafeno (pentágonos o heptágonos) así como los sitios oxigenados. Además, como se ha visto en el apartado 2.5 de purificación, los defectos también pueden ser creados en las paredes laterales, así como en los extremos abiertos de los CNTs mediante procesos oxidativos con ácidos fuertes tales como HNO3, H2SO4, o una mezcla de ambos [70], y con oxidantes fuertes como KMnO4 [71], ozono [72,73] o plasma reactivo [74,75]. Estos defectos se estabilizan mediante la unión con grupos hidroxilo (‒OH) o carboxílicos (‒COOH). Debido a las buenas características químicas de estos grupos, se pueden llevar a cabo diferentes reacciones para producir el enlace covalente entre el nanotubo y el grupo funcional. Los nanotubos de carbono funcionalizados de esta manera son solubles en gran variedad de disolventes orgánicos y pueden establecer enlaces fuertes con muchos polímeros, permitiendo la formación de nanocompuestos de CNTs con importantes propiedades mecánicas y funcionales [15]. Las reacciones de amidación, esterificación, silanización y tiolación producen la formación de una gran diversidad de CNTs funcionalizados con interesantes aplicaciones analíticas (Figura 13). Además, deben considerarse también otras reacciones para la producción de nanotubos funcionalizados en combinación con óxidos metálicos y polímeros. Los óxidos metálicos se pueden vincular a la superficie de los CNTs para generar materiales nanocompuestos que muestran interesantes propiedades como adsorbentes en extracción en fase sólida (SPE). J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 28 Las reacciones de injerto de polímero consisten en la unión de un polímero al nanotubo mediante un enlace covalente; esta vinculación puede tener lugar de dos maneras: a) Carboxílico-CNT puede reaccionar directamente con polímeros altamente reactivos para producir CNT-(M)n. b) Carboxílico-CNT actúa como motor para iniciar la polimerización con un monómero M1 y, en una segunda etapa, la copolimerización con un monómero M2 produce un CNT-(M1)n-(M2)m, radical unido covalentemente al CNT (donde n y m son los grados de polimerización). Debido a la gran variedad de reacciones posibles basadas en las características químicas de los grupos oxigenados presentes en la superficie de los CNTs, la técnica de funcionalización química por defectos es preferible con respecto a la funcionalización de la pared lateral. El principal inconveniente de la funcionalización de CNTs utilizando estos dos métodos (funcionalización covalente directa y funcionalización a través de defectos), es que durante la reacción de funcionalización, inevitablemente se crean un gran número de defectos en las paredes laterales llegando, en los casos más extremos, a la fragmentación de los CNTs. Esto tiene como consecuencia una degradación de las propiedades mecánicas de los nanotubos, así como la interrupción de la nube de electrones π, siendo también afectadas sus conductividades eléctrica y térmica. Otro de los problemas asociados a estos métodos es el daño medioambiental que supone el uso de oxidantes fuertes o ácidos concentrados en los procesos de purificación. Figura 13. Esquema de las reacciónes de amidación, esterificación, tiolación, silanización y polimerización. Introducción 29 2.6.1.2. Funcionalización física La funcionalización superficial no covalente de los CNTs puede realizarse mediante el empleo de compuestos aromáticos, agentes tensioactivos y polímeros, basándose en interacciones π-π o en interacciones hidrofóbicas. Con estos métodos las propiedades de los CNTs se mantienen al mismo tiempo que se mejora notablemente su solubilidad. Las moléculas aromáticas, tales como pireno, porfirina y sus derivados, interactúan con las paredes laterales de los CNTs por medio de interacciones π-π, abriendo así el camino para la funcionalización no covalente. En base a este hecho, Dai y col. [76] han escrito sobre la funcionalización no covalente de las paredes laterales de los CNTs y la posterior inmovilización de moléculas biológicas con un alto control y especificidad. Así mismo, se ha demostrado que los polímeros, especialmente los conjugados, sirven como excelentes materiales de envoltura para la funcionalización no covalente de CNTs, como resultado de las interacciones π-π y de las fuerzas de van der Waals entre las cadenas de polímeros conjugados que contienen anillos aromáticos y las superficies de los CNTs. Esta funcionalización se logra mediante la suspensión de los CNTs en presencia de polímeros tales como polifenileno vinileno (PPV) [77], o de poliestireno (PS) [78]. Los tensioactivos también se han empleado para funcionalizar CNTs, influyendo entre otras propiedades en su capacidad de dispersión. La adsorción física del agente tensioactivo sobre la superficie del nanotubo rebaja la tensión superficial del mismo, evitando la formación de agregados. Por otra parte los nanotubos de carbono tratados con surfactantes vencen la atracción de las fuerzas de van der Waals por la presencia de fuerzas electrostáticas repulsivas. La eficacia de este método depende en gran medida de las propiedades de los tensioactivos, de la química del medio y de la matriz del polímero. Entre los tensioactivos estudiados se incluyen: tensioactivos no iónicos, aniónicos y catiónicos [15]. Aunque se sabe que los tensioactivos son eficientes para la solubilización de los CNTs, resultan tóxicos para aplicaciones biológicas, por tanto el uso de estos complejos está potencialmente limitado para aplicaciones biomédicas. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 30 2.6.2. Funcionalización interna En este tipo de funcionalización, átomos o moléculas huésped se almacenan en la cavidad interior de los CNTs por efecto capilar. La inserción a menudo se lleva a cabo en los sitios donde hay defectos, localizados en las paredes laterales o en los extremos. La inserción de nanopartículas inorgánicas en los nanotubos de carbono, tales como C60, Ag, Au y Pt, es un ejemplo típico de funcionalización interna. También pequeñas biomoléculas, como proteínas y ADN, pueden ser atrapados en el canal hueco de los CNTs mediante simple adsorción. La combinación de los nanotubos de carbono y moléculas huésped es particularmente útil para integrar las propiedades de ambos componentes en materiales híbridos para su uso en catálisis, almacenamiento de energía, nanotecnología y dispositivos a escala molecular [79]. 2.7. CARACTERIZACIÓN DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO Desde el punto de vista analítico, M. Valcárcel define la caracterización como “la acción de establecer los aspectos diferenciales de un objeto o sistema en base a los resultados analíticos” [80]. Dado que los actuales procedimientos de síntesis de nanotubos no garantizan la homogeneidad del producto en relación con su tamaño y diámetro (y por tanto en relación a sus propiedades), y teniendo en cuenta también que la toxicidad de las partículas depende de su morfología, se han realizado numerosos estudios para la caracterización de CNTs obtenidos mediante los diferentes procedimientos de síntesis. En la última década, se han publicado diversos trabajos de revisión, describiendo diferentes técnicas y estrategias de caracterización de nanotubos. Sin embargo, hay que señalar que ninguna de las técnicas aplicadas, por sí sola, permite una caracterización total y ninguna de ellas es totalmente cuantitativa. Las principales técnicas utilizadas para este fin se pueden clasificar en cuatro categorías: técnicas de microscopía y difracción, técnicas espectroscópicas, técnicas térmicas y técnicas de separación [81]. Introducción 31 Además de las técnicas de caracterización citadas, la volumetría de Boehm es un procedimiento que se utiliza para la determinación de grupos oxigenados en la superficie de los CNTs, y por tanto también se describe a continuación como sistema de caracterización [82,83]. Tabla 4. Técnicas analíticas empleadas para la caracterización de nanotubos. Microscópicas y difracción Microscopía electrónica SEM, TEM Microscopía de proximidad AFM, STM Difracción de neutrones Difracción de rayos X Técnicas espectroscópicas Espectroscopía Raman Espectroscopía de Infrarrojo Espectroscopía de Infrarrojo con transformada de Fourier Espectroscopía UV-Vis Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X Espectroscopía de energía dispersiva Espectrometría de emisión y absorción atómica Técnicas térmicas Análisis termogravimétrico Técnicas de separación Cromatografía de exclusión por tamaño Electroforesis capilar Fraccionamiento campo-flujo Ultracentrifugación A continuación se recoge una breve descripción del empleo de cada una de estas técnicas así como de la información que suministran. 2.7.1. Técnicas de microscopía y difracción Para la caracterización y el análisis dimensional de los CNTs se han empleado diversas técnicas no destructivas de microscopía y difracción. Entre ellas cabe destacar diferentes tipos de microscopía electrónica tales como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), dos tipos de microscopía de proximidad o de barrido por sondeo (SPM): la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía de efecto túnel (STM); así como la difracción de neutrones (ND) y la difracción de rayos X (XRD). J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 32 Las técnicas microscópicas son las herramientas más comunes para el estudio de la morfología a nivel local, mientras que las técnicas de difracción se emplean cuando la investigación se lleva a mayor escala, con el fin de obtener una descripción media de la morfología de la muestra. Figura 14. Esquema del grado de resolución de estas técnicas de caracterización.  Microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión La microscopía electrónica de barrido (SEM) produce imágenes mediante el escaneo de la muestra con un haz de electrones. Las imágenes obtenidas (Figura 15A) se forman porque los diferentes átomos interactúan y absorben los electrones en una magnitud variable. Esta técnica se emplea normalmente para el estudio de la morfología y la longitud de los nanotubos [84,85], para evaluar su calidad y en ciertos casos para verificar las reacciones de funcionalización realizadas en ellos [86]. Cuando las mediciones requeridas exceden la resolución de la técnica SEM (1-20 nm) se utiliza la microscopía electrónica de transmisión (TEM) [87,88]. Esta técnica produce imágenes tridimensionales reales de la superficie del objeto (Figura 15B). Para ello, se emplean electrones de alta energía (hasta 300 keV). Cuando un haz de electrones suficientemente acelerado se encuentra con una muestra convenientemente preparada, los electrones colisionan con ella, en función de su grosor y del tipo de átomos que la forman, parte de ellos son dispersados selectivamente, es decir, hay una separación entre los electrones que la atraviesan directamente y los que son desviados por completo. La información que se Introducción 33 obtiene es una imagen con distintas intensidades de gris que se corresponden al grado de dispersión de los electrones incidentes. Usando imágenes TEM de alta resolución se pueden determinar dimensiones tales como el diámetro, y en el caso de los MWCNTs [89] el número de capas y separación entre ellas. Además esta técnica permite evaluar el proceso de funcionalización cuando éste produce la modificación de la superficie de los nanotubos [90,91]. Ambas tecnologías se han utilizado para estudiar la integridad de la estructura de los CNTs y las funcionalizaciones superficiales por defecto producidas por oxidaciones ácidas y básicas para generar grupos hidroxilo, carbonilo y carboxílicos [92]. Figura 15. Imagen de una muestra de MWCNTs: A) SEM, B) TEM [81].  Microscopía de proximidad En los últimos años, las microscopías de proximidad (SPM) se han utilizado para la caracterización de nanotubos de carbono debido a que estas técnicas proporcionan imágenes topográficas superficiales de gran resolución (en el rango de 0.01-0.1nm, dependiendo de la técnica usada). Entre ellas, cabe destacar la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía de efecto túnel (STM), que son hoy en día las dos técnicas de mayor resolución para el estudio de estructuras superficiales a nivel atómico, al permitir obtener información sobre las propiedades elásticas y electrónicas de los CNTs. La técnica de AFM es una microscopía de muy alta resolución utilizada en la caracterización de nanotubos con una resolución inferior a 1 nm, lo que permite la obtención de micrografías tridimensionales de la superficie de los CNTs [93,94]. El microscopio de A B J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 34 ATM dispone de una sonda o punta afilada con forma piramidal o cónica que va acoplada a un listón o palanca muy flexible de unos 200 μm (cantilever), encargada de escanear la superficie de la muestra. Cuando la punta se acerca a la superficie de la muestra se produce una deflexión en el cantilever debido a las fuerzas que aparecen entre la punta y la muestra [95,96]. Un detector mide esta flexión que ocurre mientras la punta barre la superficie y con ello se obtiene un mapa topográfico. La microscopía de efecto túnel (STM) está basada en el concepto de “efecto túnel”, una sonda o punta muy afilada de un metal escanea la superficie. Cuando la sonda se coloca muy cerca de la superficie y se aplica un voltaje entre la punta y la muestra, se puede obtener una imagen de la superficie a escala extremadamente pequeña, en base al paso de los electrones por “efecto túnel” a través del vacío entre la punta y la superficie del nanotubo. Si la punta se mueve a través de la muestra en el plano x-y, los cambios en la altura de la superficie y en la densidad electrónica local de estados causan cambios en la corriente que son transformados en imágenes. Esta técnica permite la obtención de micrografías de la superficie de los CNTs a nivel atómico pudiéndose así estudiar la morfología del material (resolución de hasta 0.01 nm) [97]. Por otro lado, al suministrar información sobre los estados de densidad electrónica permite la diferenciación entre CNTs metálicos y semiconductores [98,99] y establecer correlaciones entre quiralidades y propiedades electrónicas [100]. Es importante señalar que tanto AFM como STM son técnicas sofisticadas que no están fácilmente disponibles y en las cuales las preparación de la muestra es más complicada que en el caso de la microscopía de barrido (SEM).  Difracción de neutrones y difracción de rayos X Tanto la difracción de neutrones (ND) como la difracción de rayos X (XRD) son técnicas que operan a nivel macroscópico, de manera que obtienen información del conjunto de la muestra. Por esta razón, estas dos técnicas proporcionan una descripción estructural promedio de la muestra de CNTs analizada [101], en lugar de una información local de tamaños y diámetros como la que se obtiene por las técnicas de microscopía comentadas anteriormente. Introducción 35 La técnica de ND emplea un haz de neutrones térmicos o fríos, con el fin de obtener un patrón de difracción que proporciona información de la estructura del material, permitiendo así conocer características de los CNTs como la longitud de enlace, y en consecuencia, la posible distorsión de las superficies de carbono hexagonales. Burian y col. [102] obtuvieron mediante el uso de esta técnica información relacionada con la disposición atómica en SWCNTs y con la forma de enrollarse las capas, en el caso de los MWCNTs. Basándose en esta técnica otros autores han estudiado además la dispersión de SWCNTs en agua usando tensioactivos, con el fin de obtener la concentración óptima de tensioactivo para la dispersión de los mismos [103]. En la técnica de XRD, la muestra a analizar provoca la difracción en diferentes direcciones de un haz de rayos X. Mediante la medida de los ángulos e intensidades del patrón de difracción obtenido, se pueden determinar las posiciones medias de los átomos de la muestra y sus enlaces químicos. Por tanto el análisis de los CNTs mediante esta técnica permite obtener información sobre la estructura promedio, las correlaciones espaciales entre los átomos dentro de una capa, la naturaleza de las correlaciones entre capas y el número, diámetro, longitud y quiralidad de las capas de nanotubos [104]. 2.7.2. Técnicas espectroscópicas Se han descrito en la bibliografía diferentes técnicas espectroscópicas para la caracterización de CNTs, entre las que se incluyen: la espectroscopía Raman (RS), la espectroscopía infrarroja (IR), la espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR), la espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis), la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR), la espectroscopía de fluorescencia (FS), la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), la espectroscopía de energía dispersiva (EDS), y la espectrometría de emisión y de absorción atómicas.  Espectroscopía Raman La espectroscopía Raman (RS) se emplea normalmente para la caracterización y el análisis de la pureza de los CNTs, debido al carácter no destructivo y no invasivo de esta técnica [105] y a la facilidad para preparar la muestra antes de su determinación. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 42 proporcionando información acerca de su estabilidad térmica y una estimación cuantitativa de su pureza [130,131]. Las cantidades de carbono amorfo, metales procedentes de los catalizadores y carbono con estructura grafítica de los SWCNTs y MWCNTs, se evalúan analizando el polvo de nanotubo sin necesidad de una preparación previa especial de la muestra. En el análisis por TGA se obtiene una curva de pérdida de peso (o su derivada) como la que se puede observar en la Figura 18, en la que hay tres parámetros que tienen particular interés: - La temperatura de iniciación, es decir, la temperatura a la que el material empieza a descomponerse. - La temperatura de oxidación, que se define como la temperatura a la que la pérdida de peso es máxima y se relaciona con la estabilidad térmica de la muestra. - La masa residual, es decir, la masa que queda cuando se termina el proceso de calentamiento, que se relaciona con el catalizador metálico empleado en la síntesis de los CNTs y con los subproductos obtenidos. Figura 18. Gráfico TGA: A) CNTs brutos y B) CNTs tratados mediante una digestión ácida asistida por microondas [131]. En base a la información obtenida con estos tres parámetros, la técnica TGA se ha utilizado para caracterizar y comparar CNTs sintetizados mediante diferentes procesos, para estudiar la variabilidad entre lotes o dentro de un mismo lote, y para evaluar las consecuencias de los cambios ocurridos durante el proceso de purificación (en la Figura 18, se observa el cambio en la gráfica producido por el efecto de la purificación) [132]. Sin embargo, es Temperatura (°C) Temperatura (°C) Peso (%) Peso (%) dW/dT dW/dT A B Introducción 43 importante señalar que para emplear esta técnica en la caracterización de los nanotubos es necesario tener en cuenta que las temperaturas pueden estar influenciadas por el número de paredes de los CNTs, por el catalizador utilizado en la síntesis, por los defectos en la superficie de los nanotubos y por las impurezas de la muestra, tales como carbono amorfo y partículas de grafito [133]. 2.7.4. Técnicas de separación Dentro de este apartado se incluyen la cromatografía de exclusión por tamaño (SEC), la electroforesis capilar (CE), y otras técnicas tales como el fraccionamiento campo-flujo (FFF) y la ultracentrifugación (UC), herramientas útiles para la caracterización de las muestras brutas al separar los CNTs en función de sus diferentes morfologías y propiedades.  Cromatrografía de exclusión por tamaño La cromatografía de exclusión por tamaño, también llamada cromatografía de permeación o filtración en gel, es una técnica de cromatografía líquida en la que los analitos se separan según su tamaño o según su masa molecular, por tanto, resulta una técnica eficaz para la separación de nanotubos y para la caracterización de sus dispersiones. Las primeras aplicaciones de esta técnica en el campo de los CNTs, fueron publicadas por Tang y col. (1999) [134] para la purificación, y por Duesberg y col. (1998) [135,136] para la separación efectiva de dispersiones de MWCNTs y SWCNTs en función de su longitud. Se han caracterizado disoluciones de nanotubos solubles (obtenidas usando energía de ultrasonidos y surfactantes) empleando una columna con un tamaño de poro controlado (  300 nm) y una disolución de SDS (dodecil sulfato de sodio) del 0.25 % a pH 7 como fase móvil [137]. En un principio era necesario el uso de agentes dispersantes, sin embargo Yang y col. [138] utilizaron la técnica de SEC para la separación de SWCNTs en función de su longitud sin la necesidad de usar dispersantes. Estos autores sometieron previamente los nanotubos a un tratamiento oxidativo, posteriormente los dispersaron en agua [139] y los separaron según su longitud con una distribución relativamente estrecha. La técnica de SEC también se ha empleado en la separación de SWCNTs de acuerdo con su diferente quiralidad, los nanotubos con diferentes valores (n, m) se dispersaron en una disolución de SDS y fueron J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 44 separados usando un gel Sephacryl. La detección se realizó con un detector de fotodiodos en serie para determinar la segunda transición óptica S22 a 590, 650 y 720 nm [140].  Electroforesis capilar La electroforesis capilar (CE) es una técnica basada en las diferentes movilidades de las especies (en función de su relación carga/tamaño) a través de un electrolito contenido en un capilar de sílice fundida cuando se aplica un campo eléctrico. Se trata por tanto, de una técnica potencialmente útil para separar muestras brutas de CNTs en diferentes fracciones en cuanto a su relación carga/tamaño. En ella, es necesario el uso de tensioactivos (como SDS) en concentraciones por encima de la concentración micelar crítica, y un tratamiento con ultrasonidos para lograr la dispersión en medio acuoso. La primera aplicación de CE para la caracterización de nanotubos fue publicada en el año 2002 por Doorn y col. [141], quienes demostraron la utilidad de la CE para la separación de los CNTs en función de su longitud (con mayor selectividad que las técnicas de FFF y SEC). Un año más tarde, los mismos autores [142] demostraron también la posibilidad de separar los CNTs en función de otros factores tales como diámetro o sección transversal, pero se encontraron con algunos problemas de reproducibilidad, de manera que se obtenían diferentes tiempos de retención para una misma fracción; esto se atribuyó a que se emplearon condiciones suaves durante la aplicación de la energía de ultrasonidos. Suárez y col. [143] desarrollaron un método reproducible, tanto para MWCNTs como SWCNTs, adicionando pequeñas cantidades de hidroxipropilmetilcelulosa a la disolución dispersante de SDS y al electrolito de fondo, consiguiendo un significativo aumento en la reproducibilidad. Este tipo de técnica constituye un importante campo de investigación en el sector de los nanotubos para alcanzar dos objetivos: - La producción de muestras de nanotubos con un estrecho rango de tamaño y diámetro. - La obtención de nanotubos individuales aislados, con el fin de estudiar las propiedades morfológicas y electrónicas de los materiales puros. Introducción 45  Otras técnicas de separación Además de las técnicas mencionadas, se han desarrollado otras estrategias de separación para la caracterización de los nanotubos, como el fraccionamiento campo-flujo (FFF) y la ultracentrifugación (UC). El FFF es una técnica de separación en la cual se aplica un campo externo perpendicularmente a la dirección del flujo de la fase líquida que contiene la muestra [144]. Desde la primera aplicación del FFF para la separación de CNTs en base a su longitud [139], se han presentado otras aplicaciones que implican diferentes modificaciones de esta técnica. Chen y Selegue [145] mostraron su utilidad para la separación, en función de la longitud, de SWCNTs y MWCNTs que fueron acortados por procesos oxidativos. Moon y col. [146] realizaron la separación de nanotubos en fracciones de tamaño similar y verificaron que la separación de nanotubos mediante FFF dependía en gran medida de la naturaleza del flujo portador. Tagmatarchis y col. [147] también confirmaron la utilidad de esta técnica para la separación de MWCNTs. La ultracentrifugación también ha sido empleada para separar nanotubos y caracterizarlos. Para el primer caso, los nanotubos se suspendieron en agua pesada (D2O) por medio de un agente dispersante y la disolución se ultracentrifugó a más de 100000 g durante varias horas. Después de este tratamiento los SWCNTs permanecieron en el sobrenadante y fueron separados fácilmente [119]. La densidad de flotación de los nanotubos de carbono está directamente relacionada con la relación superficie/volumen y es inversamente proporcional a su diámetro. En base a esto, la ultracentrifugación en gradiente de densidad (DGU) puede ser usada para clasificar los nanotubos de carbono de acuerdo a su estructura [148]. Así, mediante DGU, se han separado con éxito SWCNTs metálicos y semiconductores con diferente quiralidad [149]. 2.7.5. Volumetría Boehm Los tratamientos de funcionalización ácida a los que se someten los nanotubos de carbono persiguen, entre otros objetivos, la carboxilación o formación de diferentes grupos oxigenados en su superficie. Estos grupos pueden ser cuantitativamente determinados por una volumetría de Boehm [83], que se basa en que estos grupos con actividad ácida presentan diferentes pKa, se pueden determinar potenciométricamente utilizando bases de diferente fuerza. Así, mediante una valoración con NaOH, se pueden neutralizar los grupos J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 46 carboxílicos, lactónicos y fenoles, es decir se asume que neutraliza todos los ácidos de Brönsted. Mientras que empleando carbonato de sodio se valorarán los grupos carboxílicos y lactónicos, y usando hidrogeno carbonato de sodio sólo se valoraran los grupos carboxílicos. Teniendo en cuenta la diferencia de volúmenes de bases gastados entre las valoraciones consecutivas, pueden cuantificarse los diferentes grupos ácidos, y expresarse como mmol H3O+/g de CNTs, lo que permitirá caracterizar los nanotubos de carbono en función de su mayor o menor funcionalización ácida [82]. 2.8. APLICACIONES ANALÍTICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO En la actualidad, la investigación sobre el empleo de nuevos materiales en Química Analítica y, en concreto, sobre los nanotubos de carbono es un área de gran actividad, tal como se demuestra con la publicación de diversos artículos de revisión sobre esta materia [21,150-154]. Figura 19. Principales aplicaciones de los CNTs en Química Analítica [155]. Así los CNTs se han empleado con distintas finalidades (Figura 19), tales como la fabricación de membranas y la construcción y mejora de detectores electroquímicos basándose en sus excepcionales propiedades eléctricas. Además de una amplia aplicación en Introducción 47 electroquímica, también se han usado extensamente en el desarrollo de técnicas de separación en base a sus propiedades adsorbentes. Así, cabe resaltar su uso como fases estacionarias en las técnicas cromatográficas cromatografía de gases (GC) o cromatografía líquida (LC), electrocromatografía capilar (CEC), o como fase pseudoestacionaria en electroforesis capilar (CE) al ser parte del electrolito de fondo. Otra aplicación interesante, basada también en sus propiedades adsorbentes, ha sido su uso como matrices de MALDI-TOF-MS (espectrometría de masas con desorción/ionización mediante láser asistida por matriz y detector de tiempo de vuelo de los iones) para el análisis de pequeñas moléculas. Y otro campo de aplicación muy importante ha sido el uso de nanotubos de carbono como adsorbentes para compuestos orgánicos e inorgánicos en extracción en fase sólida (SPE). En la Tabla 5 se resumen las principales aplicaciones analíticas de los CNTs en base a sus propiedades: Tabla 5. Aplicaciones de los CNTs combinando las propiedades generales y predominantes [152]. Propiedades generales Propiedades predominantes de los CNTs Adsorción Estabilidad térmica Conductividad eléctrica Conductividad térmica Emisor de campo Adsorción SPE/SPME Columna micro LC Fase pseudoestacionaria Columna GC Estabilidad térmica Sensor-PZ Conductividad eléctrica Sensor de gases Micro-electrodo Nano-electrodo Conductividad térmica Intercambiador de calor Emisor de campo Matrices en MALDI Micro-plasma Fuente de rayos micro-X 2.8.1. Nanotubos usados como filtros y membranas La filtración es un proceso importante en los procedimientos de Química Analítica; es una etapa esencial al realizar el análisis en dispositivos de micro-fluidos antes de procesar la muestra, donde la contaminación de partículas de pequeño tamaño puede causar problemas de funcionamiento [150]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 48 Figura 20. Esquema de la fabricación de una membrana compuesta de CNT/PA [156]. Las membranas poliméricas tradicionales, utilizadas para la purificación de agua y la separación de gases, experimentan diferentes problemas como baja selectividad y permeabilidad y susceptibilidad a obstrucciones o incrustaciones. Se han investigado numerosos métodos para evitar estos inconvenientes, evaluando la posibilidad de fabricar dichas membranas con diferentes nanomateriales incluyendo zeolitas, sílice, óxidos inorgánicos, carbón, metales, compuestos organometálicos o polímeros. Recientemente se ha pensado en el empleo de los nanotubos de carbono para este fin debido a sus características únicas de transporte y selectividad. Los núcleos interiores de los nanotubos de carbono permiten un control preciso de la dimensión de los poros en escala nanométrica. Por otra parte, la velocidad de transporte de gases y de moléculas de agua a través de los CNTs es de uno o dos órdenes de magnitud mayor que a través de los poros de zeolita o de cualquier otro material microporoso. Este fenómeno ha sido explicado por las características de sus paredes lisas y sin defectos que llevan a que la fricción sea extremadamente baja. Recientemente, se han fabricado con éxito membranas en las cuales se han incorporado CNTs en la película de un polímero; obteniéndose mallas con poros del orden de 10 a 50 nm, con una relación superficie-volumen superior a las de las membranas empaquetadas convencionales. Además este tipo de membranas presentan la ventaja adicional de poder modificar su superficie con polímeros que incorporan una funcionalidad particular. Sin embargo, hay que tener en cuenta, que han surgido muchos problemas con este enfoque y todavía es un reto importante el conseguir alinear un gran número de CNTs y preparar una estructura de membrana robusta con dimensiones en escala nanométrica bien controladas [151]. Por ello, se están planteando caminos alternativos para fabricar membranas, como por ejemplo mediante el crecimiento por CVD de CNTs en el interior de una plantilla de una membrana de alúmina nanoporosa (PA) [156] (Figura 20). Introducción 49 Ajayan y col. [157] desarrollaron un sistema basado en cilindros monolíticos huecos, con diámetros y longitudes de hasta varios centímetros, constituidos por paredes de nanotubos alineados radialmente; aplicándolos en la eliminación de múltiples componentes de hidrocarburos pesados en petróleo y en la eliminación de contaminantes bacterianos, como Escherichia coli o poliovirus de tamaño nanométrico. Murthy y col. [158] han descrito la preparación, caracterización y aplicación de una membrana formada por quitosano-MWCNTs para la separación de iones metálicos. Los nanotubos fueron funcionalizados con quitosano para aumentar su hidrofobicidad y la capacidad de rechazo de la membrana, que se usó para separar sodio y magnesio en disoluciones acuosas, siendo la secuencia de retención de las sales Na2SO4 > MgSO4 > NaCl. 2.8.2. Usos de los CNTs basados en sus propiedades eléctricas Existen un gran número de aplicaciones en la bibliografía sobre el empleo de los nanotubos de carbono como electrodos o de electrodos convencionales modificados con CNTs. Esta aplicación de los nanotubos está justificada por sus importantes aportaciones en las medidas electroquímicas tales como su gran superficie activa en electrodos de pequeñas dimensiones, su mejor transferencia de electrones o sus propiedades electrocatalíticas [21]. Es sabido que la electroactividad de los CNTs es debida a la presencia de grupos reactivos de defectos en su superficie y en los extremos de los nanotubos, pero además, recientemente se ha descubierto que los CNTs pueden transportar carga a grandes distancias a temperatura ambiente, lo que hace que se puedan utilizar para transportar densidades de corriente mayores que las transportadas por un alambre de cobre del mismo diámetro [159]. Como resultado de todo ello, los CNTs son un material ideal para la modificación de los electrodos, al ser capaces de exhibir sobrevoltajes menores y corrientes de pico mayores que los electrodos no modificados [160]. La fabricación y modificación de electrodos basados en el empleo de los CNTs ha sido ampliamente estudiada y aplicada a la determinación de un gran número de analitos, como por ejemplo, H2O2, dopamina, auxina, etc. en diferentes matrices [21]. Por otro lado, debido a la gran capacidad de adsorción de los nanotubos se han desarrollado un gran número de métodos basados en la voltametría y potenciometría de redisolución anódica para la determinación de J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 50 compuestos orgánicos y metales de transición. Hay que tener en cuenta que, a la sensibilidad lograda en las técnicas voltamétricas, se le une una efectiva acumulación/preconcentración del analito, lo que provoca una relación señal/ruido considerablemente favorable, haciendo que estas técnicas sean extremadamente sensibles [159]. También se han construido un gran número de biosensores empleando CNTs [152]. Un biosensor es un dispositivo constituido por una capa de biorreconocimiento del analito, y un transductor que es el responsable de la conversión del biorreconocimiento en una señal eléctrica. Las enzimas, antígenos, anticuerpos, ácidos nucleicos, etc., han sido usados como elementos de biorreconocimiento [160]. Para el proceso de transducción electroquímica es muy importante la naturaleza del electrodo y en este sentido, los CNTs, representan una importante alternativa debido a sus excelentes propiedades eléctricas [153]. La transferencia de electrones en el proceso de detección puede hacerse directamente en el nanotubo o en materiales tipo polímeros-CNTs, en CNTs-nanopartículas metálicas, y otros CNTscompuestos (incluyendo compuestos biológicos) [155]. Existen excelentes revisiones sobre estas aplicaciones realizadas por Rivas y col. [160], Agüi y col. [161], Merkoçi [150] y Primo y col. [162]. Los CNTs también se han empleado para desarrollar sensores químicos. El uso de nanotubos de carbono en los sensores de gases se basa en cambios en las propiedades eléctricas de estos materiales (conductividad, constante dieléctrica e impedancia) en función de la composición química de la atmósfera que los rodea [163,164]. La conductividad eléctrica de un SWCNT semiconductor es altamente sensible al cambio de la composición química de la atmósfera a temperatura ambiente. Esto es debido a transferencias de carga entre los nanotubos y las moléculas de los gases adsorbidos sobre su superficie. Además, se ha observado que las adsorciones son reversibles y que existe una respuesta lineal entre la concentración de los gases y las diferencias en las propiedades eléctricas del nanotubo. Basándose en este hecho, se han desarrollado sensores químicos en miniatura para detectar pequeñas concentraciones de gases a temperatura ambiente con muy alta sensibilidad. Además, los CNTs modificados química y físicamente pueden ser útiles en la construcción de sensores químicos muy selectivos y sensibles. Por ejemplo, los nanotubos semiconductores, recubiertos con una capa fina de paladio metálico, son extremadamente sensibles para detectar hidrógeno molecular [152]; mientras que, recubriéndolos con polietilenimina, se ha detectado Introducción 51 NO2 sin interferencia del NH3, y con un recubrimiento de Nafion, se observa una señal selectiva de NH3 [21,152]. 2.8.3. Usos de los CNTs basados en sus propiedades de adsorción La conocida capacidad de los nanotubos de carbono de establecer interacciones electrostáticas - y su gran área superficial, pueden facilitar la adsorción de analitos de una manera selectiva y reproducible. Esta capacidad ha sido usada, desde el punto de vista analítico, con tres objetivos: a) Obtener fases estacionarias o pseudoestacionarias para separar analitos. b) Desarrollar sistemas de detección piezoeléctricos para analitos volátiles. c) Actuar como material adsorbente en sistemas de extracción en fase sólida. 2.8.3.1. CNTs usados en las técnicas de separación Los nanotubos de carbono se han usado como fase estacionaria en cromatografía debido a dos factores, su capacidad de establecer fuertes interacciones π-π con compuestos aromáticos y compuestos insaturados y su alta estabilidad térmica. La estabilidad térmica de los CNTs es lo que los convierte en una alternativa atractiva para ser usados como fase estacionaria en la cromatografía gas-sólido. Por otro lado, sus propiedades de adsorción únicas los hacen susceptibles de ser aplicados en cromatografía líquida y en electroforesis capilar, obteniéndose una resolución muy mejorada y aumentándose la relación señal/ruido [165-167]. Además sus excelentes características a escala nanométrica, los hacen candidatos ideales para su empleo en microdispositivos para el análisis en fases gaseosa y líquida. En el análisis en fase gaseosa, se puede implementar un micro-concentrador o una trampa de micro-sorbente, para ser utilizados en cromatografía en línea y en aplicaciones de detección [168]. 2.8.3.1.1. Empleo de los CNTs en cromatografía En los últimos años, las técnicas de separación han avanzado al surgir una nueva generación de fases estacionarias a base de nanotubos de carbono. Los nanotubos se han estudiado como medio de separación cromatográfica debido a sus excelentes propiedades: J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 58 2.8.3.2. CNTs usados en sistemas de detección piezoeléctricos La capacidad de adsorción de los CNTs también puede usarse para la detección piezoeléctrica de analitos volátiles. El principio de operación de una microbalanza con sensor de cuarzo (QCM) está basado en la interacción entre la superficie del cristal de cuarzo recubierto con una película sensible y el analito. Si se asume para el cristal un comportamiento de película rígida, el cambio en la frecuencia de resonancia es función del cambio de la masa en la superficie [184]. La selectividad y eficacia de la adsorción de vapores y gases está regulada por la composición y la estructura de los recubrimientos de los sensores piezoeléctricos. Los CNTs están caracterizados por su alta porosidad y buena permeabilidad a los gases y no cambian sus propiedades a lo largo del tiempo [185]. En base a esto, usando MWCNTs anclados en la película adsorbente, se han detectado alquilaminas [186] y amoniaco en aire [187], vapores de alcoholes alifáticos y compuestos aromáticos [185]. 2.8.3.3. CNTs usados en MALDI-TOF-MS La espectrometría de masas con ionización MALDI-TOF, es un método simple e indispensable para una amplia gama de analitos, incluyendo biomoléculas y polímeros sintéticos. Empleando la técnica MALDI tradicional se requieren matrices orgánicas convencionales, tales como 2,5-dihidroxibenzoico, para absorber la energía del láser y formar sólidos microcristalinos homogéneos con los analitos para inducir su ionización. Sin embargo, estas matrices orgánicas siempre se rompen bajo la radiación láser y producen interferencias de iones de la matriz no deseados en las regiones de bajo peso molecular (<500 Da), resultando difícil el análisis de pequeñas moléculas si se usan matrices orgánicas convencionales. Es interesante usar como matrices, el grafeno y los nanotubos de carbono, ya que pueden ofrecer alta eficiencia para absorber la energía UV del láser y transferirla al analito, sufriendo éste a la vez una desorción/ionización. Además debido a su gran capacidad de adsorción, estos materiales permiten el enriquecimiento de pequeñas moléculas [188]. Este tipo de matrices se han empleado con éxito para el análisis de ciclodextrinas, pequeños péptidos, y mezclas de compuestos orgánicos [152]. Cegloski y col. han hecho un interesante resumen de las aplicaciones de los nanotubos de carbono funcionalizados con MALDI-TOF-MS [189]. Introducción 59 2.8.3.4. CNTs usados como adsorbente en extracción en fase sólida La extracción en fase sólida (SPE) es uno de los métodos de preparación de muestra más empleados para preconcentrar analitos en diferentes matrices, debido a ventajas como su alto factor de enriquecimiento, alta recuperación, rápida separación de fases, bajo coste, bajo consumo de disolventes orgánicos y su capacidad de acoplarse con diferentes técnicas de detección ya sea en línea (on-line) o en discontinuo (off-line). Cuando se emplea la SPE, las dos claves para lograr un proceso eficiente son: la selección de la técnica SPE más adecuada y la selección del adsorbente más apropiado. Con respecto al adsorbente, se han empleado gran variedad de materiales tales como resinas sintéticas y sus derivados, carbono y sustratos biológicos (bacterias, algas y hongos libres o inmovilizados en un soporte sólido). Las características más importantes que debe reunir un adsorbente son: estabilidad, capacidad de regeneración, alta capacidad de adsorción y desorción eficiente. En este sentido los CNTs, debido a su elevada área superficial, son un material idóneo para usar como adsorbente. La principal ventaja que ofrecen es que no son porosos y que el soluto puede ser retenido en la superficie por fuerzas de van der Waals [168], además, como ya se ha mencionado, son capaces de establecer interacciones π-π e interacciones electrostáticas que hacen que exhiban una fuerte afinidad por moléculas no polares, polares e incluso por analitos iónicos [190]. Como resultado de todo esto, en los últimos años, ha aumentado considerablemente el uso de los CNTs como adsorbentes sólidos en SPE, hecho que se pone de manifiesto con el aumento en el número de artículos publicados relativos a CNTs-SPE, tal y como se refleja en la revisión hecha en 2011 por C. Herrero Latorre y col. [191]. Como puede verse en la Figura 23, los artículos publicados relativos a CNTs y CNTs-SPE, aumentaron drásticamente a partir de 1995. Hasta el 2011 se habían publicado cerca de un millar artículos, en los que se abordaba el uso de la combinación CNTs-SPE para una gran variedad de analitos. Recientemente se han publicado interesantes revisiones acerca de las aplicaciones de los nanotubos de carbono en las técnicas de separación [154,190,192] incluyendo no sólo las aplicaciones de SPE, sino también su uso en cromatografía y electroforesis. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 60 Figura 23. Evolución del número de artículos publicados en relación a: A) CNTs y B) CNTs-SPE en el período 1995–2011. Si se compara la capacidad de adsorción de los MWCNTs con la de adsorbentes basados en carbono, la de los primeros es en general mucho mayor. Long y Yang [193] mostraron que los MWCNTs pueden adsorber cantidades de TCDD (2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina) hasta 1034 veces mayores que el carbono activo, debido a su gran superficie específica y a la fuerte interacción de los anillos de benceno con la superficie de grafeno de los nanotubos de carbono. En la Figura 24 se muestra una comparación de los diferentes mecanismos de adsorción entre un nanotubo de carbono y otros adsorbentes convencionales típicamente porosos o películas poliméricas. La difusión dentro de una estructura porosa conduce a transferencias de masa lentas y, consecuentemente, la liberación cuantitativa de moléculas grandes es un factor limitante. Por el contrario, en los CNTs, la adsorción ocurre Figura 24. A) Diagrama esquemático de un adsorbente de carbono poroso y la difusión en los poros. B) Adsorción de analitos en un nanotubo de carbono [168]. CNTs CNTs-SPE A B A B Introducción 61 principalmente en la superficie externa y en los espacios huecos de los tubos abiertos, por lo cual la liberación del analito es relativamente simple [168]. Una amplia gama de compuestos que van desde pequeñas moléculas a grandes compuestos semi-volatiles pueden ser fácilmente concentrados y desorbidos en los CNTs; además las superficies externas de los tubos crean un gran número de espacios inter-tubulares que proporcionan sitios de adsorción específicos. Por otro lado, la excepcionalmente alta relación superficie-volumen proporciona un efecto de confinamiento especial que conduce a un comportamiento físico completamente diferente en relación con los adsorbentes más convencionales. En la Tabla 7 se realiza una comparación de las diferentes características de adsorbentes convencionales y CNTs. Tabla 7. Comparación entre adsorbentes convencionales y CNTs [168]. Adsorbente Fuerza Área superficial (m2 g-1) Analitos Desventajas Tenax TA Débil 35 Compuestos no polares y polares de baja volatilidad Sufre descomposición química en atmósferas altamente oxidantes (por ejemplo en presencia de gases reactivos como O3 y NO2) Carbotrap Medio-débil 100 VOC incluyendo cetonas, alcoholes, aldehídos y perfluorocarbono No adsorbe compuestos polares Carbopack Medio-fuerte 240 Hidrocarburos, BTEX No adsorbe compuestos polares Carbosieve Muy fuerte 800 Hidrocarburos C2, C3, C4 No es adecuado para compuestos orgánicos superiores Carboxen1000 Muy fuerte >1200 Hidrocarburos ultravolátiles No es adecuado para compuestos orgánicos superiores CNTs Muy fuerte 150-1500 Componentes orgánicos muy volátiles o semivolátiles (metano, PAHS) Necesidad de purificación, relativamente caro Contrariamente a lo que ocurre con los adsorbentes de carbono convencionales, y como ya se ha indicado, la superficie de los CNTs puede ser fácilmente modificada, resultando, tras la funcionalización, adsorbentes con propiedades diferentes. Suárez y col. [182] han empleado SWCNTs, modificados con grupos carboxílicos, para preconcentrar medicamentos antiinflamatorios no esteroideos. Los SWCNTs así modificados presentan la capacidad de adsorción típica de los CNTs originales (debido a su alta superficie hidrofóbica), pero también pueden retener analitos cargados o moléculas polares, por interacciones electrostáticas o puentes de hidrógeno con los grupos carboxílicos [190]. De esta forma, mediante la J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 62 funcionalización se puede cambiar la solubilidad de los CNTs y hacerlos más hidrofóbicos, al mismo tiempo que se puede lograr un cambio en la selectividad por funcionalización de su superficie, ya sea mediante funcionalización covalente o no covalente, lo que hace que los CNTs se consideren un material muy atractivo tanto para compuestos no polares como para polares [194]. En resumen, los analitos orgánicos apolares, por lo general, son altamente retenidos en nanotubos de carbono no funcionalizados debido probablemente a las interacciones de van der Waals; por el contrario, para la retención de compuestos orgánicos polares es mejor emplear CNTs funcionalizados. A la hora de utilizar los CNTs como adsorbentes para SPE, una consideración importante a tener en cuenta es la pureza de los mismos. Como ya se ha comentado previamente, la síntesis de los nanotubos lleva generalmente asociada la formación de carbono no tubular (NTC), como por ejemplo carbono amorfo o carbono grafítico. Esto hace que los nanotubos estén recubiertos superficialmente de NTC que tiende a tener estructuras porosas, con un mecanismo de adsorción diferente al de los propios CNTs. Al recubrirse los nanotubos con carbono tubular, se reduce la disponibilidad de estos sitios de adsorción, porque el analito tiene que difundirse a través del NTC para llegar al nanotubo de carbono. Además, la estructura porosa del carbono tubular introduce limitaciones de transferencia de masa, retrasando tanto la adsorción como la desorción. Por tanto, es importante tener en cuenta estas consideraciones para su aplicación como medio de separación [168]. Para el empleo de los CNTs como material adsorbente, se han aplicado diferentes diseños y dispositivos, entre los que destacan columnas, cartuchos y discos. Dado que no existen microcolumnas y cartuchos comerciales, el adsorbente se empaqueta en microcolumnas o cartuchos de diversos materiales y tamaños, que contienen desde unos pocos a cientos de miligramos de CNTs, siendo las más utilizadas las microcolumnas de politetrafluoroetileno, vidrio o polietileno. Otra opción también empleada habitualmente es el uso de cartuchos de polipropileno llenos de nanomaterial adsorbente y de mayor tamaño que las microcolumnas. Figura 25. Diagrama esquemático de una micro-columna rellena de MWCNTs [198]. Introducción 63 Figura 26. Cromatogramas de plaguicidas organofosforados adicionados en agua de mar y extraídos con CNTs y Oasis HLB [202]. Además, se han empleado otros sistemas fabricados en laboratorio utilizando puntas cónicas, así como microcolumnas construidas mediante el ensamblaje de dos puntas de micropipeta, todas ellas conteniendo nanotubos de carbono [195-199]. En la Figura 25 se recoge un esquema de una microcolumna fabricada a partir de puntas de micropipetas rellena de MWCNTs. A pesar de la preparación manual de estos sistemas de adsorción, se ha demostrado una reproducibilidad adecuada entre ellos [191]. El grupo de investigación de Cai [200,201] fue el primero en empaquetar MWCNTs en columnas SPE o en discos, y emplearlos en la extracción en fase sólida de contaminantes orgánicos presentes en muestras acuosas. Desde entonces hasta la actualidad, diferentes tipos de nanotubos, incluyendo MWCNTs no funcionalizados, MWCNTs modificados y SWCNTs, han sido usados como material de empaquetamiento en SPE para preconcentrar compuestos fenólicos, pesticidas, compuestos farmacéuticos, iones inorgánicos y compuestos organometálicos en alimentos, muestras medioambientales, fluidos biológicos, etc. En la Figura 26 se presenta un cromatograma de 6 plaguicidas organofosforados adicionados en agua de mar, usando CNTs y Oasis HLB como adsorbentes, observándose una mejora significativa en el empleo de los CNTs [202]. En los últimos años se han realizado excelentes recopilaciones, en las cuales se abordan las diferentes aplicaciones de los CNTs como adsorbentes de analitos orgánicos e inorgánicos [151,190,192,194,203,204]. Los discos de SPE fueron introducidos por 3M Inc. en 1989, como una técnica para la preparación de la muestra más cómoda que los cartuchos convencionales para tratar volúmenes grandes de muestras medioambientales. Al incorporar adsorbentes de pequeño tamaño de partícula, el formato disco posee algunas ventajas: permite mayor superficie, mejor transferencia de masa, tasas de flujo más rápidas y reducción del riesgo de taponamiento y J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 64 contaminación [194]. Un estudio comparativo con discos de SWCNTs, de carbono activo y de C18 muestra que los discos de SWCNTs pueden extraer más eficazmente los analitos que los discos de otros materiales [204]. Aunque hay que indicar que, en la mayoría de las aplicaciones, los CNTs han sido usados dispuestos en cartuchos y en pocas ocasiones en formato disco. En la última década, se ha prestado una considerable atención a la SPE como una técnica de preparación de muestras. Sin embargo, en el modo de trabajo convencional, la carga de la muestra consume por lo general mucho tiempo de proceso (especialmente para grandes volúmenes de muestra), además las partículas sólidas que normalmente existen en las muestras pueden causar bloqueos en el sistema y conducir a un proceso fallido. Todas estas desventajas son aún más obvias cuando se emplean nanotubos de carbono como adsorbente, pues su tendencia a formar agregados reduce su área superficial y produce sobrepresiones en el sistema. Por ello además de la extracción en fase sólida convencional (SPE) se han desarrollado otras variantes de la técnica: extracción en fase sólida dispersiva (DSPE), extracción en fase sólida magnética (MSPE) y micro-extracción en fase sólida (SPME) entre otras. El empleo de la extracción en fase solida dispersiva (DSPE) puede reducir en gran medida el tiempo de preparación de la muestra comparada con la tradicional SPE, ya que el adsorbente es dispersado más eficientemente en la muestra [194]. La técnica DSPE incluye dos variantes: su uso para fines de limpieza y aquel con fines de extracción. Para limpieza es conocida con el acrónimo QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe), y se utiliza para eliminar sustancias interferentes en el análisis de muestras de alimentos con muchos residuos. Recientemente también se ha usado la DSPE para extraer analitos, de manera que el adsorbente se añade directamente a la muestra, sin necesidad de columnas, cartuchos o discos. De este modo, el tiempo de extracción es menor, pues se evita el tiempo necesario para pasar la muestra a través de la columna. La extracción en fase sólida magnética (MSPE) es un nuevo tipo de DSPE, muy empleada también en los últimos años para la preparación de la muestra, y basada en el uso de partículas magnéticas de escala micro o nano (MNPs). La combinación de MNPs con CNTs, ha supuesto combinar la gran capacidad de adsorción de los nanotubos, con la facilidad de separación del adsorbente que contiene el analito, mediante la aplicación de un campo Introducción 65 magnético externo; permitiendo así la extracción efectiva de muchos compuestos orgánicos como fluoroquinolonas, hidrocarburos aromáticos policíclicos, estrógenos, etc. Aunque hay que indicar que, hasta el momento, la MSPE ha sido aplicada como técnica de separación para la determinación de un número muy limitado de sustancias inorgánicas [194,202] La micro-extraction en fase sólida (SPME) fue introducida por Arthur y Pawliszyn en 1990 como una técnica de preparación de la muestra libre de disolventes que integra las etapas de limpieza (clean-up) y preconcentración [205]. Esta técnica tiene importantes ventajas sobre las técnicas de extracción convencionales debido a su facilidad de uso, su mayor rapidez, posibilidad de automatización, su portabilidad y estar libre de disolventes. En la actualidad, se desarrolla normalmente usando fibras de SPME, formadas por una fibra corta y delgada de sílice fundida recubierta con el adsorbente [194]. Se han investigado diferentes procedimientos para unir los CNTs a la fibra, y algunos de los procedimientos empleados han sido el recubrimiento de la fibra por inmersión en una suspensión de CNTs, insertando los nanotubos en un polímero, la inmovilización por un procedimiento de sol-gel, y mediante electrodeposición de los nanotubos (Figura 27) [206]. Para realizar el muestreo, la fibra es sumergida en la muestra y los analitos se distribuyen entre la muestra y el recubrimiento. Posteriormente tiene lugar la desorción, colocando la fibra en el inyector de un cromatógrafo de gases. El uso de SPME se asocia con frecuencia con problemas de arrastre (carryover), lo cual provoca desorciones incompletas. Además esta técnica es susceptible de efecto matriz, por lo cual, cuando se analizan muestras complejas, éstas deben tratarse previamente con una etapa de limpieza. Figura 27. Depósito de SWCNTs en el alambre de Pt. [206]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 66 Figura 28. Esquemas de A) Sistema de µ-SPE, B) Imagen ampliada del dispositivo de extracción [207]. Para evitar esta etapa, Basheer y col. [207] han desarrollado un nuevo sistema de extracción en fase microsólida, usando MWCNTs como adsorbentes empaquetados dentro de una membrana de polipropileno porosa (Figura 28), que aplicaron para determinar pesticidas organofosforados en muestras de aguas residuales. Al igual que en la SPE, este procedimiento de extracción, implica una adsorción del analito seguida de una desorción pero en una escala mucho menor, por eso se denominó micro-SPE (μ-SPE). La membrana usada para retener el adsorbente actúa como un filtro excluyendo las interferencias potenciales, de forma que se elimina o se reduce la influencia de partículas que son mayores que el tamaño del poro [168,194]. A pesar de todo la μ-SPE también tiene alguna de las desventajas de la SPME, incluyendo el arrastre de analito, la fragilidad de la fibra, y el coste relativamente alto [208]. Recientemente, Yang y col. [209] han propuesto un nuevo tipo de SPE al que denominaron Microextracción en fase sólida en fibra hueca protegida con una membrana líquida (HFLMSPME), que consiste en emplear para la extracción un adsorbente que consiste en una fibra hueca cuyos poros se han rellenado con CNTs y que ha sido descrito como un procedimiento adecuado para extraer en una etapa analitos de muestras complejas. En esta técnica, una fibra se protege longitudinalmente con una membrana de fibra hueca de polipropileno poroso, la cual se llena con una fase orgánica inmiscible en agua. Para preparar la fibra de SPME utilizaron como fase de extracción polietilenglicol (PEG) injertado en Figura 29. Esquema del sistema HFLM-SPME [210]. Introducción 67 nanotubos de carbono de pared múltiple (PEG-g-MWCNTs). En la Figura 29 se observa un esquema del sistema HFLM-SPME. Al igual que en la -SPE se consigue un menor efecto matriz, ya que las fibras huecas porosas funcionan como un filtro. Pero hay que tener en cuenta que en este tipo de SPE, hay dos interfaces, por lo que las moléculas de soluto necesitarán más tiempo para pasar a través de ellas [210,211]. 2.9. CNTS COMO ADSORBENTE PARA LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA DE METALES Y DETERMINACIÓN MEDIANTE TÉCNICAS ESPECTROMÉTRICAS 2.9.1. Introducción Aunque la presencia de metales pesados y elementos traza en el medio ambiente tiene dos orígenes, natural y antropogénico, las fuentes principales son la actividad industrial (desechos, minería, metalurgia, plantas incineradoras y la quema de combustibles fósiles entre otros) y la actividad agrícola. Debido a los posibles efectos adversos de estos elementos en personas, animales y ecosistemas, el control y la evaluación de los niveles de metales en diversas matrices medioambientales, agrarias, alimentarias y clínicas son actividades cada vez más demandadas por las autoridades y los organismos reguladores [212]. Por esta razón, en los últimos años el desarrollo de procedimientos analíticos sensibles para determinar especies metálicas en diferentes matrices ha sido un área de investigación muy activa [213,214]. Para esta tarea, normalmente, se utilizan técnicas de espectrometría debido a sus características analíticas, buena selectividad y sensibilidad adecuada. Sin embargo, a pesar de la alta sensibilidad de técnicas como la espectrometría de absorción atómica con llama (FAAS), la espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica (ETAAS) o la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), en ciertos casos no es suficiente para determinar la concentración del metal a los niveles tan bajos como los que pueden encontrarse en algunas muestras cotidianas. Además, como consecuencia de las interferencias, estas técnicas tienen algunas limitaciones. Por lo tanto, y a pesar de los avances en instrumentación, los procedimientos de separación y preconcentración siguen siendo una estrategia analítica esencial previa a la propia etapa de determinación del analito. Se han empleado una amplia variedad de técnicas, incluyendo precipitación, floculación, filtración y ultrafiltración, adsorción y extracción, entre otras, para la separación y J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 74 regeneran con el fin de ser empleados de nuevo como material adsorbente. A pesar de todas estas consideraciones, es necesario llevar a cabo estudios de recuperación para cada caso particular y estudiar diferentes valores de pH con el fin de obtener las condiciones óptimas, ya que éstas dependen de factores interrelacionados tales como la naturaleza del ion metálico, el grado de oxidación y el número de grupos oxígeno contenidos en la superficie de los nanotubos de carbono [248] (Figura 33). Figura 33. Adsorción de especies metálicas por los CNTs a pH más alto que pHPZC.  Técnicas de determinación por espectrometría atómica Una vez que las especies metálicas han sido retenidas y cuantitativamente desorbidas mediante SPE con nanotubos de carbono como adsorbente, se emplearán diferentes técnicas de espectrometría atómica para su determinación: espectrometría de absorción atómica con llama (FAAS) [195,230-239,249-253], espectrometría de absorción atómica con termonebulización en horno de llama (TS-FF-AAS) [242], espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica (ETAAS) [196,240,254], espectrometría de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) [229,230], espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) [219-221,255], espectrometría de fluorescencia atómica con generación de hidruro (HG-AFS) [197,198], espectrometría de fluorescencia atómica con generación de vapor frío (CV-AFS) [234] y espectrometría de absorción atómica con generación de vapor frío (CV-AAS) [256]. A pesar de la amplia variedad de técnicas de espectrometría atómica usadas, la mayoría de las aplicaciones han sido desarrolladas para FAAS y ETAAS. Estas dos técnicas han sido acopladas con éxito a diferentes sistemas de inyección en flujo produciendo una mejora en la velocidad de muestreo y una notable mejora en la precisión en comparación con metodologías Introducción 75 en discontinuo [196,232,253,257]. Para la determinación de analitos metálicos eluidos de las columnas SPE-CNTs también se ha utilizado la técnica de ICP (AES y MS), debido a su carácter multielemental, su bajo límite de detección, y la posibilidad de realizar estudios de especiación. 2.9.3. Aplicaciones de los CNTs para la determinación de especies metálicas mediante SPE A continuación se presentan las aplicaciones ya publicadas de los nanotubos de carbono para la preconcentración en fase sólida de metales en diversas matrices y su posterior determinación mediante técnicas de espectrometría atómica. En la primera parte se resumen los métodos basados en el uso de nanotubos de carbono sin tratar y oxidados y en la segunda se incluyen los métodos analíticos que utilizan nanotubos de carbono funcionalizados. 2.9.3.1. Aplicaciones de nanotubos de carbono brutos y oxidados En general, la mayoría de las aplicaciones de los nanotubos de carbono como adsorbente en SPE se basan en el uso de CNTs oxidados, debido a sus ventajas sobre los CNTs sin oxidar comentadas anteriormente [258]. Sin embargo, en ciertos casos, también se han utilizado nanotubos brutos. Varios autores han estudiado comparativamente la eficacia de adsorción de nanotubos de carbono oxidados y puros, así El-Sheikh [259] comparó el factor de enriquecimiento logrado con el empleo de CNTs oxidados y no oxidados para la adsorción de Cr(III), Mn(II), Pb(II), Cu(II), Cd(II) y Zn(II) antes de su determinación por ETAAS. Para todos los metales estudiados los nanotubos de carbono oxidados presentaron mejor capacidad de adsorción en comparación con los no oxidados, en los que se observó una menor selectividad hacia los iones metálicos. A una conclusión similar llegaron Savio y col. [257], que demostraron que el empleo de un adsorbente basado en CNTs oxidados fue el que mostró una mayor capacidad y rango lineal para la determinación de Ni y Pb por ETAAS. Por todas estas razones, la mayoría de los métodos de análisis desarrollados se han basado en CNTs oxidados obtenidos por tratamiento de los nanotubos brutos con diferentes oxidantes como permanganato de potasio, ácido nítrico, ácido sulfúrico, peróxido de J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 76 hidrógeno y sus mezclas, y usando para la oxidación, energía de microondas o de ultrasonidos. Una vez que la oxidación química tiene lugar, es recomendable secar los CNTs oxidados antes de su uso como adsorbentes, a temperaturas de 80-120 ºC hasta peso constante [204]. El uso de los nanotubos de carbono puros u oxidados como adsorbentes para la preconcentración de metales se ha llevado a cabo siguiendo dos procedimientos: a) El ion metálico en disolución es retenido por el nanotubo de carbono. b) El ion metálico en disolución es quelatado previamente, mediante el uso de un ligando adecuado y el quelato formado es retenido por el nanotubo. 2.9.3.1.1. Preconcentración del ion metálico en el nanotubo Mediante este procedimiento, los iones metálicos son retenidos directamente en los CNTs (oxidados o brutos) utilizados como adsorbente y empaquetados en una microcolumna. La elución de los analitos se realiza con pequeños volúmenes de una disolución de un ácido fuerte y su determinación se lleva a cabo por diferentes técnicas de espectrometría atómica. Entre la metodología analítica desarrollada siguiendo esta estrategia, se diferencian dos enfoques: unielemental y multielemental. En la Tabla 8 se presenta un resumen de estos métodos (en orden alfabético de acuerdo al metal analizado). Los métodos unielementales se han desarrollado principalmente para una serie de metales pesados con interés analítico debido a su toxicidad para el medio ambiente y los organismos vivos, como el Cd [237,240,242], Cu [236,238,249-251], Hg [234,256], Pb [198,253], Pd [239], Bi [197] y Sn [254]. Existen también diferentes métodos de concentración mediante SPE-CNT y su posterior determinación por espectrometría atómica para otras especies metálicas como el Au [260] y Ag [231] en muestras geológicas y de agua. Se realizaron estudios de especiación empleando CNTs como adsorbente para V(IV,V) y para Mn(II) y Mn(VII) [196,221]. En la bibliografía se describen también, numerosos procedimientos de preconcentración SPE-CNT multielementales, en los que dos, tres o más analitos metálicos son retenidos de manera simultánea en los CNTs brutos u oxidados (ver Tabla 8). En la mayoría de los casos, después de la elución, se consigue llevar a cabo la determinación de todos los analitos en una Introducción 77 sola medida usando técnicas de análisis multielemental como ICP-AES [229,230] y ICP-MS [219,220,255]. Otros procedimientos de preconcentración multielementales, basados en ETAAS [257,259] y FAAS [195,232,233,235] necesitan la medición secuencial de los diferentes analitos considerados. Teniendo en cuenta tanto la preconcentración unielemental como la multielemental, como regla general, los métodos basados en CNTs producen elevados factores de enriquecimiento que permiten la determinación de especies metálicas en niveles de concentración muy bajos. En algunos trabajos [239,249,255] se alcanzaron factores de preconcentración (PF) bastante altos (150 a 165), aunque en la mayoría de los casos, los valores obtenidos están comprendidos entre 20 y 100. Los límites de detección logrados (LOD) están en el rango de varios ng L-1, según la técnica atómica usada. En cuanto a la eliminación de la matriz, como se ha indicado, la retención de metales en los CNTs implica interacciones electrostáticas, por esta razón, a pesar del gran área superficial y el elevado volumen de poros del material de adsorción, la presencia de especies catiónicas interferentes puede causar la competencia por los sitios de adsorción de los nanotubos de carbono [238]. Por lo tanto, en todos los casos se han llevado a cabo análisis de interferencias para evaluar la aplicabilidad de los métodos optimizados. La mayoría de las aplicaciones revisadas estaban libres de las interferencias producidas por iones extraños (en proporciones interferencia/analito de hasta 102-104). Como conclusión, cabe indicar que la baja incidencia de interferencias observada se puede explicar por la combinación de dos factores. En primer lugar, porque los CNTs tienen capacidad de adsorción suficiente para ambos tipos de iones, los que se desea determinar y los extraños (a los niveles de concentración comúnmente presentes en las muestras medidas); por lo que, tanto el analito, como los iones interferentes pueden ser retenidos y, posteriormente eluidos de la columna de nanotubos al pH apropiado. En segundo lugar, después de la extracción en fase sólida, la medición del analito se realiza mediante técnicas de espectrometría atómica de alta selectividad que presentan la ventaja adicional de eliminar la matriz. En relación con la precisión de las aplicaciones descritas en bibliografía, se deben tener en cuenta dos consideraciones: (i) No está asegurada la pureza y la reproducibilidad de los CNTs utilizados (incluyendo la longitud y el diámetro de los CNTs) procedentes de diferentes lotes, e incluso siendo del mismo fabricante. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 78 (ii) Todas las aplicaciones han sido realizadas usando dispositivos hechos en laboratorio ya que todavía no están disponibles microcolumnas o cartuchos comerciales de CNTs. A pesar de estas dificultades, como se muestra en la Tabla 8, en general en todos los métodos se alcanzaron buenos resultados para la precisión, con valores de desviación estándar relativa (RSD) inferiores al 5 %. También se evaluó la exactitud de los diferentes métodos, mediante estudios de recuperación y empleando diferentes materiales de referencia certificados (CRMs). Los resultados publicados fueron satisfactorios en el rango de 90-110 %. Otro factor importante que afecta a la aplicabilidad de los métodos SPE basados en CNTs es la reutilización de la columna. La estabilidad y la capacidad de regenerar numerosas veces el sistema de adsorción es muy importante y constituye un valioso indicativo de su utilidad. Sin embargo, la mayoría de los estudios citados no hacen mención sobre este aspecto. En los trabajos en los que se estudió este parámetro, la columna o cartucho se pudieron emplear un promedio de entre 30 y 100 veces sin disminución de la capacidad de adsorción o deterioro. En determinados casos, se llegó a valores más altos, de 200 a 300 veces [196,250,257]. Hay que señalar que una gran parte de las aplicaciones presentadas en este estudio se llevaron a cabo en muestras simples, como diferentes tipos de aguas. Sólo en unos pocos casos se desarrollaron métodos para determinar metales en muestras más complejas (té y arroz [232], vegetales [233], pelo humano y mejillones [255], polvo [239], orina [240], aguas de lagos y lodos [257]). Lamentablemente, la determinación de cantidades a nivel de ultra-traza de metales en muestras complejas no es una tarea fácil debido a la baja concentración del metal y a las interferencias asociadas a la matriz. Las muestras ambientales, alimentarias, farmacéuticas, y biológicas son muestras complejas que contienen proteínas, sales, ácidos, bases, y una gran variedad de compuestos orgánicos. Así, a pesar de haber avanzado en el desarrollo de instrumentos analíticos altamente eficientes, hasta el momento es necesario el tratamiento previo de las muestras para extraer, aislar y concentrar las especies metálicas. Por lo tanto, uno de los desafíos analíticos a lograr es la mejora de los métodos de determinación de metales por SPE-CNT y espectrometría atómica de modo que puedan ser aplicados en matrices más complejas. Tabla 8. Aplicaciones de los CNTs brutos y oxidados como adsorbentes en SPE para la determinación de especies metálicas en diferentes muestras. Ion metálico Muestra Tipo de CNTs Técnica medida Características analíticas Reúso Columna SPE/ notas Ref. LOD (ng L-1) PF RSD (%) Recuperación (%) Ag(I) Muestras geológicas y agua MWCNTs oxidados FAAS 0.60 x 103 50 3.8 99.6-99.2 CRMa 50 SPE/Microcolumna de PTFE de 20x3 mm rellena con 50 mg de CNTs [231] Au(III) Muestras geológicas y agua MWCNTs oxidados FAAS 0.15 x 103 75 3.1 95-103 CRM 50 SPE/Microcolumna de PTFE de 20x3 mm rellena con 50 mg de CNTs [260] Bi(III) Aguas (lago, río y mar) MWCNTs oxidados HG-AFS 0.8 4.6 91.0-105.5 CRM 100 SPE/Microcolumna formada por 2 puntas de micropipeta rellenas con 200 mg de CNTs en un sistema FIA acoplado en línea [197] Cd(II) Orina MWCNTs oxidados ETAAS 0.01 x 103 3.4 3.4-9.8 97-104 100 SPE/Microcolumna de PTFE rellena con 45 mg de CNTs en un sistema FIA [240] Aguas (nieve e industrial) MWCNTs oxidados FAAS 0.15 x 103 2.06 91.3-108.0 SPE/Cartucho de PP relleno con 200 mg CNTs [237] Aguas (mineral, consumo y río) MWCNTs oxidados TS-FF-AAS 11.4 51 2.1-6.5 94-107 CRM SPE/Microcolumna rellena de CNTs con un sistema FIA acoplado en línea [242] Aguas (consumo y lago) MWCNTs oxidados FAAS 0.42 x 103 150 3.5 96-102 CRM 50 Microcolumna de PTFE rellena de CNTs [249] Cu(II) Aguas (consumo, subterránea, nieve y río) MWCNTs oxidados FAAS 0.32 x 103 2.9 90.3-111.0 200 Cartucho de PP relleno con 200 mg de CNTs [250] Aguas (consumo, bebida y bahía) MWCNTs oxidados FAAS 0.27 x 103 100 0.99-2.4 96-104 CRM 100 Columna de vidrio de 100x10 mm rellena con 50 mg de CNTs [251] Sedimentos y agua MWCNT brutos FAAS 1.46 x 103 60 <5 97.9-99.2 CRM 60 Microcolumna de vidrio de 100x10 mm rellena con 200 mg CNTs [236] Agua MWCNTs oxidados FAAS 2.1 x 103 12 2.8-6.3 87.5-91.1 CRM Cartucho de 6 mL de PP relleno con 200 mg de CNTs [238] Hg(II) Agua (consumo, lago y río) MWCNTs brutos CV-AFS 1.2 39 4.3 90-96 CRM MSPE/microcolumna de PTFE de 6x3 mm rellena con 6 mg de CNTs en un sistema FIA acoplado en línea [234] Agua (consumo y embalse) MWCNTs oxidados CV-AAS 12.3 30 4.8-12.0 88-95 MSPE/microcolumna rellena de CNTs [256] Ni(II) Agua (subterránea consumo, embalse y residual) MWCNTs oxidados FAAS 0.60 x 103 50 2.82 84.2-121.1 MSPE/microcolumna rellena de CNTs [252] Tabla 8. (Continuación) Ion metálico Muestra Tipo de CNTs Técnica medida Características analíticas Reúso Columna SPE/ notas Ref. LOD (ng L-1) PF RSD (%) Recuperación (%) Pb(II) Agua y hierbas medicinales MWCNTs oxidados FAAS 2.6 x 103 44.2 1.4-7.7 90.6-96.8 MSPE/microcolumna 60x10 mm rellena con CNTs con en un sistema FIA en línea [253] Agua mineral MWCNTs oxidados HG-AFS 2.8 26 4.4 92-108 CRM 50 MSPE/microcolumna formada por 2 puntas de micropipeta en un sistema FIA en línea [198] Pd(II) Agua, cenizas, polvo carretera MWCNTs oxidados FAAS 50 x 103 165 5.3 93.7 CRM si CSPE/cartucho 6 mL relleno con 300 mg de CNTs [239] Sn(II) Agua (mineral, de mina, y lago) MWCNTs oxidados ETAAS 0.73 x 103 2.66 7.0-8.6 91.5-103.0 MSPE/microcolumna de PE de 50x10 mm de PE [254] Mn (II,VII) Agua SWCNTs brutos ICP-MS 0.031 x 103 0.054 x 103 60 4.2 5.1 94.0-102 CRM 40 MSPE/microcolumna de PTFE rellena con 40 mg de SWCNTs [221] V(IV,V) Agua mineral MWCNTs oxidados ETAAS 19 20 3.3 96-102 CRM 300 Microcolumna de punta cónica en sistema FIA acoplado en línea. Especiación tras enmascarar el V(IV) [196] Au(III) Pd(II) Muestras geológicas y agua SWCNTs oxidados ICP-MS 0.23 x 103 0.06 x 103 75 5.4 3.7 93.6-97.8 94.4-103 30 Columna cónica rellena con 20 mg de SWCNTs [220] Cd(II) Cu(II) Té, cabello humano, harina de arroz MWCNTs brutos FAAS 0.30 x 103 0.11 x 103 24 25 2.1 2.4 CRM Microcolumna de 20x2 mm de PTFE en un sistema FIA acoplado en línea [232] Cd(II) Mn(II) Ni(II) Agua de lago MWCNTs oxidados ICP-AES 48 21 36 25 3.5 2.6 2.2 103 97.5 97.5 CRM 50 Microcolumna de 20x3 mm de PTFE rellena con 30 mg de CNTs [230] Cu(II) Co(II) Pb(II) Agua, mejillones SWCNTs oxidados ICP-MS 39 1.2 5.4 50 4.8 5.2 3.9 97-106 104-108 96-105 CRM 40 Microcolumna de 20x3 mm de PTFE rellena con 20 mg de CNTs [219] Cu(II) Zn(II) Mn(II) Pb(II) Vegetales MWCNTs oxidados FAAS 6.59 x 103 0.62 x 103 0.28 x 103 1.00 x 103 20.3 14.2 20.6 15.4 2.6-4.7 95-105 3 meses de uso Microcolumna de vidrio de 50x3 mm rellena con CNTs con un sistema FIA acoplado en línea [233] Tabla 8. (Continuación) Ion metálico Muestra Tipo de CNTs Técnica medida Características analíticas Reúso Columna SPE/ notas Ref. LOD (ng L-1) PF RSD (%) Recuperación (%) Fe(III) Cu(II) Mn(II) Pb(II) Agua mineral y consumo MWCNTs brutos FAAS 4.9 x 103 6.5 x 103 3.5 x 103 8.0 x 103 20 <2.5 96-106 27-98 96-100 96-100 CRM Microcolumna de vidrio 150x10 mm llena con100 mg de CNTs [235] Mn(II) Cr(III) Pb(II) Cd(II) Cu(II) Zn(II) Agua (consumo, embalse y arroyos) MWCNTs brutos y oxidados ETAAS 38 37 214 24 46 9 0.9-3.4 1.1-3.9 1.2-4.0 1.3-3.1 1.5-4.0 1.3-3.5 SPE/cartucho de 6 mL de PP [259] Mn(II) Co(II) Ni(II) Pelo, mejillones, agua consumo Nanofibras de carbon oxidadas ICP-MS 40 0.4 8 150 5.1 4.8 4.0 98 95 104 CRM 35 SPE/microcolumna de 20x3 mm de PTFE rellena con 20 mg de CNTs [255] MnO4Pb(II) Cu(II) Zn(II) Agua (consumo, embalse y arroyo) MWCNTs brutos FAAS 0.71 x 103 0.28 x 103 0.46 x 103 0.87 x 103 0.92.5, 1.5-4.1 1.1-3.8 1.0-3.9 81-100 84-99 81-98 81-99 SPE/cartucho de a 6 mL de PP lleno CNTs [195] Ni(II) Pb(II) Sedimentos de lago y lodos MWCNTs brutos, oxidados y modificados ETAAS 30 10 38 40 3.9 0.5 92.1-102.0 CRM 300 SPE/microcolumna de punta cónica rellena con 4 mg de CNTs en un sistema FIA [257] La Sm Eu Gd Tb Ho Yb Agua( lago y mar) hojas de té MWCNTs oxidados ICP-AES 10 57 4 15 9 15 3 50 <6 98.2 101.5 96.3 100.6 97.4 95.5 94.4 CRM 50 SPE/microcolumna de 20x3 mm de PTFE [229] aCRM: Exactitud determinada con Material de Referencia Certificado J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 82 2.9.3.1.2. Preconcentración de quelatos metálicos en el nanotubo En búsqueda de una mejora en la selectividad, en otro grupo de métodos de aplicación de los CNTs en SPE, el ion metálico se quelata previamente mediante el uso de un ligando selectivo. Estos métodos optimizados para la extracción de especies metálicas como quelatos se presentan en la Tabla 9. Un experimento de SPE-CNTs basado en la quelatación previa del ion metálico incluye los siguientes pasos: (i) La disolución que contiene el analito se ajusta al valor de pH deseado con una disolución reguladora (debe tenerse en cuenta que el pH de la muestra no sólo regula la estabilidad del complejo, sino que también influye en la eficacia de la adsorción). (ii) A continuación, se añade el reactivo complejante para formar el quelato metálico. (iii) La disolución obtenida, se pasa a través de la columna que contiene los nanotubos de carbono, a una velocidad de flujo adecuada de manera que el quelato formado quede adsorbido en la columna. (iv) Finalmente, los iones metálicos se recuperarán de la columna y del quelato haciendo pasar una disolución ácida a través de la columna. La elección del agente quelatante debe realizarse teniendo en cuenta la constante de estabilidad del quelato, la cinética de la reacción de formación, la solubilidad en agua del ligando y del quelato, y la estabilidad del complejo a un amplio rango de pH. Puesto que el complejo formado es el que queda retenido en el nanotubo, es evidente que existen otras interacciones involucradas en la retención del quelato por el nanotubo de carbono, tales como interacciones π-π, fuerzas de van de Waals y enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes coordinados (en comparación con las interacciones electrostáticas que tiene lugar en la retención del ion metálico puro) [204]. En estos métodos, la formación del quelato metálico constituye un paso crítico, por tanto, las condiciones para la formación de estos complejos deben ser cuidadosamente optimizadas. Es importante señalar además, que hay casos en los que es necesario usar ciertos disolventes orgánicos o mezclas de éstos con agua, para lograr la disolución del ligando, lo cual supone una desventaja. La utilidad de estos métodos se demuestra en base a que, iones metálicos que no han sido retenidos directamente por los CNTs, son adsorbidos satisfactoriamente cuando forman Introducción 83 complejos previamente con ligandos orgánicos, en general, los ligandos de mayor éxito son aquellos que contienen grupos de azufre y nitrógeno. Las cantidades de ligando utilizadas para la formación del complejo dependen de la concentración del metal, la relación de masa CNTs/ligando, así como de la técnica analítica empleada. Como regla general, dentro de los niveles de metales ensayados, son suficientes 1-5 mg de ligando para llevar a cabo la formación del complejo. Sin embargo, en comparación con los métodos de extracción de metales no quelatados, se utilizaron cartuchos y columnas de mayor tamaño así como una masa de nanotubo de carbono más elevada (100-300 mg). La extracción en fase sólida con quelatos metálicos es especialmente importante en especiación, y particularmente cuando sólo una especie puede ser extraída como complejo. En los estudios de especiación se ha demostrado útil el empleo del pirrolidinditiocarbamato de amonio (APDC); así López-García y col. [261] desarrollaron un método empleando este agente complejante para la especiación de As(III)-As(V) inorgánico y Sb(III)-Sb(V) en muestras de agua por ETAAS. Las especies trivalentes formaron un complejo con APDC y luego fueron retenidas en una microcolumna de MWCNTs. Después de la reducción de las formas pentavalentes se determinó el contenido total de As y Sb inorgánicos. En la Figura 34 se puede observar cómo afecta la cantidad de APDC en la adsorción de las diferentes especies metálicas. También se llevaron a cabo estudios de especiación con APDC de Cr(III) y Cr(VI) en agua y aguas residuales. En primer lugar, el Cr(VI)-APDC se extrajo mediante el uso de una columna de MWCNTs, y la determinación se realizó por FAAS [262]. Posteriormente, el Cr(III) fue oxidado con H2O2, y el mismo procedimiento se aplicó para determinar el cromo total. Wu y col. [199] también desarrollaron un método empleando la espectrometría de fluorescencia atómica de doble canal con generación de hidruro (HG-DC-AFS) para la especiación de arsénico y antimonio en muestras de agua. La estrategia incluyó la formación en línea de los complejos de APDC de Figura 34. Efecto de la concentración de APDC. En la adsorción de As (III), Sb (III) y Sb (V) [261]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 90 Para recubrir los nanotubos de carbono mediante este tipo de funcionalización, se han utilizado diferentes óxidos metálicos (SiO2, TiO2, Al2O3, MnO2, RuO2, CeO2, SnO2, etc.). La preparación de este nanomaterial se llevó a cabo por precipitación del compuesto de metal en una suspensión de CNTs, seguida de secado y pirólisis [288]. A pesar de las prometedoras expectativas de este procedimiento, hasta el momento, sólo se han descrito dos aplicaciones analíticas basadas en SPE con nanotubos modificados con óxidos metálicos. En 2007, Huang y col. [284] prepararon y caracterizaron el nano-compuesto MnO2-MWCNTs demostrando su idoneidad para la eliminación de Pb(II) de disoluciones acuosas [285] (Figura 37). Desde entonces este nanocompuesto se ha aplicado como adsorbente para la determinación mediante ETAAS de iones Pb(II) y Cd(II), sin interferencia de otros iones coexistentes como Fe(III), Co(II), Ni(II), Cu(II), Pd(II) y Pt(IV) [286]. En el segundo de los métodos de determinación publicados siguiendo esta estrategia, se emplearon nanotubos modificados con alúmina (Al2O3-MWCNTs) para la preconcentración de Ni, mediante un sistema de análisis por inyección en flujo (FIA), y su posterior determinación por FAAS [287]. En ambos casos, además de los buenos resultados obtenidos, se encontraron dos ventajas adicionales en la utilización de nanocompuestos basados en MnO2 y Al2O3. En primer lugar, la alta estabilidad del adsorbente, que puede llegar a alcanzar 100 y 200 ciclos de adsorción-elución sin pérdida de capacidad de adsorción; y segundo, la ausencia de un efecto de hinchamiento, permitiendo trabajar a altas velocidades de flujo (hasta 10 mL min-1) sin fugas ni obstrucciones de la columna de FIA. Figura 37. Comparacion de la capacidad de adsorción de Pb(II) por diferentes adsorbentes [285] Introducción 91 B) CNTs modificados por unión covalente de diversas biomoléculas Para la funcionalización de los nanotubos de carbono oxidados también se han empleado también pequeñas biomoléculas, como aminoácidos o proteínas. El vínculo entre la biomolécula y el nanotubo se produce mediante un enlace amida covalente. Entre los aminoácidos empleados para este tipo de funcionalización se encuentran la L-tirosina, la L-cisteína y la L-alanina. Pacheco y col. [288] estudiaron la capacidad de adsorción del aminoácido L-tirosina inmovilizado sobre MWCNTs para la extracción de iones de Cu, Ni, Zn y Co en muestras de agua. El mejor rendimiento se obtuvo para la extracción de Co(II), con un factor de preconcentración de 180 (que es el doble del obtenido con MWCNTs sin L-tirosina). Estudios similares evaluaron el uso de L-tirosina-CNTs para la determinación y especiación de talio mediante ETAAS [289]. En cuanto a la L-cisteína (aminoácido que contiene un grupo tiol), se ha unido covalentemente a MWCNTs obteniendo un nuevo material sintético para la adsorción de Cd en una amplia variedad de muestras biológicas y ambientales [290]. En la Figura 38 se puede ver el esquema de síntesis empleado en este caso. Experiencias anteriores habían demostrado que la adsorción de Cd por CNTs oxidados disminuye enormemente cuando aumenta la fuerza iónica, sin embargo, cuando se emplea L-cisteína-CNTs, no se observa este efecto, debido a la formación de un complejo estable a través de los grupos tiol. Además, otra ventaja de este aminoácido es su alta selectividad, que ofrece una mejora en la concentración tolerable de iones coexistentes de 1600 veces, en comparación con el uso de MWCNTs oxidados sin L-cisteína. En base a los resultados obtenidos, los autores concluyeron que los MWCNTs con aminoácidos inmovilizados ofrecen una prometedora selectividad para futuras aplicaciones. Sin embargo, estos resultados deben Figura 38. Esquema para la síntesis de MWCNTs funcionalizados con L-cisteína [290]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 92 ser confrontados con otros trabajos que presentan resultados menos favorables, como son el empleo de L-alanina-MWCNTs para la determinación de Cd mediante FIA-SPE-ICP-AES [291] o para la determinación de Ni y Pb mediante ETAAS [257]. En ambos casos, el rendimiento y la capacidad de extracción del nuevo material fue peor en comparación con los resultados obtenidos con MWCNTs no modificados. Se han aplicado otras biomoléculas más complejas para funcionalizar los nanotubos de carbono; así, Liu y col. [292] sintetizaron y caracterizaron un nuevo material, MWCNT-6Hisproteína etiquetada, para la extracción selectiva de Cu (II) y Ni (II) mediante SPE. Ambos iones fueron previamente quelatados con ácido iminodiacético (IDA), y los correspondientes quelatos fueron retenidos usando un sistema FIA-SPE con una microcolumna que contenía MWCNT-6His-proteína etiquetada. La elución se consiguió empleando una disolución de imidazol-HCl 0.2 M y la determinación se llevó a cabo por FAAS. Con el método desarrollado se consiguieron unas características analíticas apropiadas, y unos excelentes resultados en cuanto a la mejora de la selectividad, con un aumento de las concentraciones tolerables de iones coexistentes de 1800 a 20000 veces. A pesar de estos resultados exitosos, es preciso indicar que serían necesarios más estudios para evaluar la idoneidad de los CNTs modificados con biomoléculas y aminoácidos. C) CNTs modificados por la unión covalente de polímeros Diversos tipos de polímeros se pueden unir a los CNTs con varios objetivos tales como: mejorar la solubilidad o dispersividad de los nanotubos en disolventes polares modificando las propiedades hidrofóbicas, mejorar la selectividad respecto a las especies metálicas y ampliar su compatibilidad con otros materiales. Estudios recientes relativos a CNTs funcionalizados por adición de polímeros [293], demuestran que los sitios activos con estructuras tridimensionales generadas por este tipo de modificación, dan lugar a materiales nanocompuestos adecuados para la eliminación y concentración de metales en diferentes tipos de muestras ambientales. Por lo tanto, la combinación polímeros-CNTs también se empleó como material de SPE con fines analíticos. En general, se utilizaron dos procedimientos para preparar los polímeros-CNTs: (a) mediante el uso de reacciones en disolución entre los CNTs y los monómeros, basadas en la funcionalización química por defecto, seguido posteriormente de polimerización; (b) mediante el uso de la técnica de injerto inducida por plasma (PIGT). Introducción 93 La técnica PIGT, también llamada polimerización por plasma, se puede describir (por ejemplo en el caso de un plasma de N2) como sigue. Durante el proceso de descarga de plasma, especies de nitrógeno activo (N*) reaccionan con los nanotubos produciendo en la superficie de los mismos especies activas de carbono (‒C*), además de grupos hidroxilo y carboxilo. Una vez que se consigue la activación de los CNTs por plasma, las superficies de los mismos son expuestas a los monómeros, éstos se polimerizan y se unen a los nanotubos produciendo una fina capa alrededor de los mismos. Se ha sugerido que son las especies C* las que inducen la polimerización de los monómeros sobre las superficies de los CNTs. Una explicación más detallada del proceso PIGT se puede encontrar en los trabajos de Shao y col. [294] y Ren y col. [295]. La técnica PGIT presenta varias ventajas frente el método químico en disolución: (i) La polimerización mediante plasma es un procedimiento libre de disolventes por lo que se evita el uso de grandes cantidades de productos químicos perjudiciales para el medioambiente y el uso de condiciones extremas; (ii) el polímero injertado se introduce en la superficie de los CNTs preservando las propiedades de los nanotubos brutos, y (iii) el monómero no se conserva necesariamente durante el proceso de polimerización. Hasta el momento, se han encontrado pocas referencias de aplicaciones analíticas para la determinación de metales utilizando técnicas SPE basadas en CNTs modificados mediante polímeros injertados. En estas aplicaciones, a pesar de las ventajas del procedimiento PGIT, la síntesis del nanomaterial adsorbente se llevó a cabo mediante reacciones químicas de defecto. Se realizó la adsorción, separación y determinación mediante FAAS de iones de Au(III) por medio de material adsorbente preparado con polianilina (PANI) y poli(3,4 etilendioxitiofeno) (PEDOT) [296]. Bajo las condiciones optimizadas el método no presentó interferencias significativas. En la Figura 39 se pueden observar las imágenes SEM de los CNTs recubiertos con los polímeros PANI y PEDOT. Figura 39. Imágenes SEM de MWCNTs: A) MWCNTs / PANI, B) MWCNTs / PEDOT y C) nanocompuesto a partir de polímeros conductores orgánicos y MWCNTs para la adsorción y separación de iones de Au(III) [296]. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 94 Se desarrolló también un nanocompuesto basado en MWCNTs y poli(2-amino tiofenol) (P2AT) para la extracción en fase sólida de cadmio y plomo a niveles traza en muestras ambientales [297]. El método de determinación SPE-FAAS optimizado mostró excelentes niveles de precisión y exactitud, elevados factores de concentración, y se alcanzó la suficiente sensibilidad para la medida de ambos analitos en muestras ambientales y alimentarias. Un nuevo procedimiento, que aumenta aún más la selectividad de la SPE-CNTs, es el uso de polímeros de impronta molecular (MIP) en combinación con nanotubos de carbono. El proceso implica tres etapas: (i) la formación de complejos de metal con un ligando polimerizable (molde); (ii) la polimerización: donde el molde se mezcla con un agente entrecruzante, el iniciador y los CNTs en un disolvente adecuado; y (iii) la eliminación del molde después de la polimerización [190]. La eliminación de la molécula molde deja unos sitios de unión que son complementarios del analito en forma y orientación, y contribuyen al reconocimiento molecular del mismo. El fundamento del reconocimiento molecular se puede observar en la Figura 40. El adsorbente modificado (MIP) resultante, consiste en un material macroporoso que contiene cavidades con funcionalidad química y estructura tridimensional específica para el analito. Así se obtiene una selectividad muy alta, debido a que el material adsorbente es capaz de reconocer el analito en muestras de matriz compleja [298]. Figura 40. Procedimiento no covalente para la síntesis de MIP. Adaptado de [190]. Introducción 95 Zhang y col. [299] desarrollaron un nuevo método usando esta estrategia para la determinación de galio en cenizas por FAAS. Estos autores sintetizaron un nuevo material adsorbente, compuesto de nanotubos de carbono de pared múltiple impreso con Ga(III)-8hidroxiquinolina (Ga(III)-8-HQ), mediante el empleo de la técnica de impresión de superficie. El Ga(III)-8-HQ es la molécula modelo, y el ácido metacrílico será el monómero para la polimerización, el etilenglicolmetacrilato es el agente entrecruzante, y se utilizó 2,2-azobisisobutironitrilo como iniciador. Una vez obtenido el material MIP-CNTs, la eliminación del molde se llevó a cabo mediante una mezcla compuesta por ácido acético y etanol 9:1 (v/v). La capacidad de adsorción del material MIP-CNTs en comparación con un adsorbente no impreso se vio aumentada en un 50.4 %, hecho que se explica por un aumento en la constante de formación, así como por un aumento en los sitios de unión. Este método optimizado se aplicó con éxito para la determinación de galio en cenizas, a niveles de ng L-1 y sin interferencias de otros iones similares unidos a la 8-HQ, tales como Al(III) y Zn(II), tal y como se puede observar en la Figura 41. A pesar del bajo número de aplicaciones desarrolladas hasta este momento, en los próximos años se espera un gran aumento de los métodos basados en nanocompuestos MIP-CNTs debido a la alta selectividad obtenida con estos materiales. Además, otras ventajas muy reseñables de estos materiales son la buena estabilidad térmica y química, la alta resistencia mecánica, la larga durabilidad en condiciones de calor y presión, y la posibilidad de su uso en medios químicos agresivos. Figura 41. Adsorción selectiva de Ga(III), Al(III) o Zn(II) sobre nanotubos de carbono impresos con Ga(III)-8-HQ y sobre nanotubos de carbono no impresos [299]. 96 Tabla 10. Aplicaciones de CNTs funcionalizados por métodos químicos usados como adsorbentes SPE para la determinación de especies metálicas en diferentes muestras. Ion metálico Muestra Tipo de CNTs Técnica medida Características analíticas Reúso Columna SPE/ notas Ref. LOD (µg L-1) PF RSD (%) Recuperación (%) Co(II) Agua residual y vegetales MWCNTs modificados FAAS 0.55 300 1.63 98.7-101.1 CRMa 30 PAN/mini-columna de vidrio rellena con 40 mg de MWCNTs [270] Pb(II) Agua (río, lago, consumo) y sedimentos MWCNTs modificados ICP-AES 0.27 100 1.6 96.8-100.4 CRM 10 ABT/mini-columna PTFE rellena con 40 mg de MWCNTs [276] Agua (río y consumo) MWCNTs modificados ICP-AES 0.32 60 3.5 >95 TAA/mini-columna de 50x9 mm rellena con 30 mg de MWCNTs [278] Pd(II) Polvo carretera, agua residual MWCNTs modificados FAAS 0.3 200 2.73 98 CRM 20 5,4-DABR/tubo de vidrio con extremo tipo embudo con 40 mg MWCNT [281] Agua (pozo y consumo) MWCNTs modificados FAAS 6 600 2.43 96-102 NBHAE/tubo de vidrio con extremo tipo embudo de 80x5 mm con 40 mg MWCNTs [274] Mn(II) Aceros, agua (río, consumo y pozo) MWCNTs modificados FAAS 0.058 100 0.41 97.9-101.6 50 PAN/tubo de vidrio con extremo tipo embudo con 20 mg MWCNTs [271] Zn(II) Pimienta, pelo, hojas de té, sedimentos, partículas emitidas por vehículos MWCNTs modificados FAAS 0.07 x 10-3 250 1.20 97.6-100 CRM 30 PAN/tubo de vidrio con extremo tipo embudo de 80x10 mm con 30 mg MWCNTs [272] Pb(II) Cd(II) Ni(II) Muestras biológicas y agua MWCNTs modificados FAAS 0.32 x 10-3 0.17 x 10-3 0.04 x 10-3 1.7 1.5 1.2 PAN [273] Au(III) Mn(II) Agua (río y pozo), aguas residuales y aceros MWCNTs modificados FAAS 0.03 0.01 250 0.83 0.61 94-102 94-102 CRM NBHAE/tubo de vidrio con extremo tipo embudo de 80x10 mm con 40 mg MWCNTs [275] Cr(III), Fe(III) Pb(II) Muestras biológicas, agua río, y sedimentos MWCNTs modificados ICP-AES 0.24 0.19 0.33 200 2.7 3.0 1.9 99.1-102 99.6-99.8 98.9-99.4 CRM EDA/mini-columna PTFE rellena con 50 mg de MWCNTs [277] Tabla 10. (Continuación) Ion metálico Muestra Tipo de CNTs Técnica medida Características analíticas Reúso Columna SPE/ notas Ref. LOD (µg L-1) PF RSD (%) Recuperación (%) V(V) Cr(VI) Pb(II) Cd(II) Co(II) Cu(II) As(III) Muestras biológicas (pescado, camarón) MWCNTs modificados ICP-MS 1.3 x 10-3 1.2 x 10-3 0.70 x 10-3 0.40 x 10-3 2.5 x 10-3 3.4 x 10-3 0.79 x 10-3 66-101 4.0 2.6 1.0 3.7 3.9 3.4 2.6 96-101 CRM 40 IDA/micro-columna PTFE de 20x4 mm conteniendo 20 mg de MWCNTs [280] Pb(II) Cd(II) Pelo, agua (río y embalse) MWCNTs modificados ETAAS 4.4 x 10-3 1.5 x 10-3 100 3.2 2.5 97.7 109.1 CRM 100 MnO2 /columna de vidrio de 20 x 2 mm rellena con 50 mg de nano-compuesto [286] Ni(II) Agua (mineral y río) MWCNTs modificados FAAS 4.1 20.9 4.76.3 95.7-99.1 200 Al2O3/columna de PVC de 50x10 mm rellena con 50 mg de nanocompuesto [287] Co(II) Agua mineral MWCNTs modificados FAAS 50 x 10-3 180 102 CRM L-tirosina/micro-columna cónica 10 x 0.5-3 mm rellena con 10 mg de MWCNTs [288] Tl (III, Total) Agua de consumo MWCNTs modificados ETAAS 3 x 10-3 150 x 10-3 40 3.4 98-103 L-tirosina /micro-columna cónica 40x1.5-4.5 mm rellena con 10 mg de MWCNTs [289] Cd(II) Pelo, arroz, té, suelos contaminados MWCNTs modificados FAAS 0.28 33 1.6 91.1-105.2 CRM L-cisteina/micro-columna cónica 10 x 1-4 mm rellena con 10 mg de MWCNTs [290] Cu(II) Ni(II) Pelo, té, suelos MWCNTs modificados FAAS 0.31 0.63 29 28 2.4 2.5 93.1-98.5 90.0-102.3 MWCNT-6His-proteína etiquetada/micro-columna PTFE 15 x 2 mm rellena con 15 mg de MWCNTs [292] Au(III) Agua de consumo, suelos MWCNTs modificados FAAS 0.3 x 10-3 PANI 0.5 x 10-3 PEDOT 400 PANI 350 PEDOT 95.0-101.1 CRM PEDOT, PANI/ columna de vidrio de 120x20 mm con 30 mg de nano-compuesto [296] Cd(II) Pb(II) Pescado, sedimentos MWCNTs modificados FAAS 0.3 1.0 282 304 2.4 3.2 97.2-101.0 98.0-100.9 7 P2AT/columna de vidrio de 120x20 mm con 100 mg de nano-compuesto [297] Ga(III) Cenizas MWCNTs modificados FAAS 3.03 x 10-3 43 4.71 87.3-94.5 Ga(III)-8impreso-CNT/columna SPE con 200 mg de nano-compuesto [299] aCRM: Exactitud determinada con Material de Referencia Certificado J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 98 2.9.3.2.2. CNTs funcionalizados mediante interacciones físicas Las interacciones físicas constituyen otra forma de obtener nanomateriales funcionalizados, de manera no covalente. En ellas, los nanotubos de carbono y los grupos funcionales se unen por medio de fuerzas de van der Waals, interacciones π-π o fuerzas electrostáticas. Estos procedimientos presentan ciertas ventajas sobre los métodos químicos ya que evitan el uso de ácidos fuertes y/u oxidantes y evitan daños en la estructura de los CNTs. Estos hechos preservan la integridad de los nanotubos, previenen la rotura en fragmentos más pequeños y mantienen sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. Sin embargo, la estabilidad de los nanomateriales modificados físicamente es peor en comparación con los obtenidos por reacciones químicas de defecto, en las que se establece un enlace covalente entre la superficie del nanotubo y el grupo unido. En esta sección se describen los diferentes métodos de determinación de metales mediante espectrometría atómica acoplada a la SPE utilizando nanotubos de carbono funcionalizados físicamente por: A) envoltura con un polímero, B) adsorción de tensioactivos y C) adsorción de bacterias. Las aplicaciones analíticas de este tipo de materiales se resumen en la Tabla 11. A) CNTs modificados por envoltura de polímero Se ha propuesto la preparación y el uso de nanocompuestos de quitosano-MWCNTs para la eliminación de especies metálicas en agua [300,301]. El quitosano (poli-β(1,4)-2-aminodesoxi-D-glucosa) es un polisacárido catiónico biocompatible y biodegradable, que presenta una gran tendencia a ser adsorbido por los MWCNTs. El nanocompuesto sintetizado se demostró que es adecuado para la extracción de Ni(II), Zn(II), Cd(II) y Cu(II) en disoluciones acuosas. Sin embargo, a pesar de las buenas perspectivas de este enfoque, hasta el momento, en la bibliografía no existe información sobre métodos de determinación analíticos mediante SPE basados en el uso de CNTs modificados físicamente por envoltura de polímero como adsorbente. B) CNTs modificados por adsorción de tensioactivos En los últimos años, en diferentes publicaciones se ha evaluado el uso de diversos agentes tensioactivos unidos a CNTs, y el posterior uso del material nanocompuesto obtenido para la concentración de especies metálicas en varias aplicaciones. Introducción 99 El dodecilbenceno sulfonato de sodio (SDBS) es un ejemplo de tensioactivo aniónico utilizado con este objetivo. De esta manera, se ha propuesto su combinación con MWCNTs para la eliminación de Ni en aguas residuales [302]. Las moléculas de surfactante adsorbidas sobre la superficie de los MWCNTs provocan una atracción entre los grupos aniónicos (de cabeza) y los cationes. Con este método, se mejoró notablemente la adsorción de níquel en comparación con el uso de nanotubos sin SDBS. Así mismo, este procedimiento puede emplearse también para la extracción de este tensioactivo en aguas contaminadas. Otro ejemplo de este tipo de funcionalización es el empleo del cloruro de cetil trimetil amonio (CTAC), propuesto por Li y col. [303] para desarrollar un nanocompuesto para la extracción en fase sólida de As y su posterior determinación por HG-AFS. En este caso, la preparación del material MWCNTs-CTAC implica la oxidación previa de los nanotubos y la adición posterior de CTAC. Las interacciones hidrófobas e iónicas conducen a la formación de agregados de micelas y hemimicelas, que se comportan como un nuevo tipo de adsorbente para SPE de tamaño nanométrico. En la Figura 42, puede observarse el proceso de adsorción del tensioactivo sobre la superficie de los CNTs. Este método ha sido utilizado para separar arsénico en muestras de agua ambientales obteniendo unas recuperación (94.0-104.3 %) y precisión (RSD = 5.3 %) adecuadas. Sin embargo debido a las características del adsorbente, es de esperar una selectividad más baja que en los métodos anteriores basados en ligandos unidos químicamente. Aunque aún no se ha estudiado, es de esperar que las columnas de CNTs-tensioactivos no puedan ser reutilizadas un número elevado de veces, ya que el tensioactivo se extrae parcialmente con la disolución empleada para la regeneración. Después de un número dado de ciclos de adsorción-elución es probable que la concentración del tensioactivo alcance valores Figura 42. Proceso de adsorción del tensioctivo (CTAC) sobre la superfice de los CNTs [303] J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 106 [56] M. Yudasaka, H. Kataura, T. Ichihashi. Diameter enlargement of HiPCO single-wall carbon nanotubes by heat treatment. Nano Letters 1 (2001) 487–489. [57] M. Yudasaka, T. Ichihashi, D. 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Publicado en la revista: Analytica Chimica Acta 853 (2015) 77–94. http://dx.doi.org/10.1016/j.aca.2014.10.008 Carbon nanotubes as solid-phase extraction sorbents prior to atomic spectrometric determination of metal species: a review. C. Herrero Latorre, J. Álvarez Méndez, J. Barciela García, S. García Martín, R.M. Peña Crecente. Pubicado en la revista: Analytica Chimica Acta 749 (2012) 16–35. http://dx.doi.org/10.1016/j.aca.2012.09.001 Parte experimental 163 3. PARTE EXPERIMENTAL Los nanotubos de carbono se pueden usar como adsorbentes para una gran cantidad de aplicaciones en el ámbito de la Química Analítica, sin embargo, la naturaleza inerte e hidrofóbica de su superficie no es favorable para muchas de estas aplicaciones. En este trabajo se emplean CNTs en procesos de extracción para la determinación de metales mediante técnicas espectroscópicas pero, dado que la capacidad de adsorción de los iones metálicos por los nanotubos de carbono sin tratar es muy baja, será necesario incrementarla mediante su oxidación con diferentes agentes oxidantes. El trabajo realizado en este estudio se estructura de la siguiente manera:  Funcionalización de los nanotubos de carbono de pared múltiple mediante la introducción de grupos oxigenados empleando diferentes tratamientos ácidos así como diferentes fuentes de energía, y evaluación de su aplicabilidad en la extracción en fase sólida.  Desarrollo de dos procedimientos de extracción en fase sólida, uno para la extracción del cadmio y otro para la extracción del plomo presentes en muestras de orina humana, previos a su determinación por espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica (ETAAS). Como resultado de este trabajo han sido publicados los siguientes artículos:  A new flow injection preconcentration method based on multiwalled carbon nanotubes for the ETA-AAS determination of Cd in urine, Talanta 85 (2011) 2361– 2367.  Multiwalled carbon nanotubes as a sorbent material for the solid-phase extraction of lead from urine and subsequent determination by electrothermal atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B 101 (2014) 15–20.  Desarrollo de un procedimiento de extracción en fase sólida dispersiva (DSPE) para la extracción, preconcentración y determinación conjunta de cadmio y plomo en muestras de orina humana. Como resultado de este trabajo ha sido publicado el siguiente artículo:  Determination of cadmium and lead in urine samples after dispersive solid–liquid extraction on multiwalled carbon nanotubes by slurry sampling electrothermal atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B 106 (2015) 13–19. Parte experimental 165 3.1. FUNCIONALIZACIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO Y SU EFECTO EN LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA 3.1.1. Introducción Dada su gran versatilidad como adsorbentes, se ha demostrado en diferentes estudios que los nanotubos de carbono (CNTs) pueden emplearse para separar de forma efectiva trazas de contaminantes en agua y aire, así como también para atrapar pequeñas moléculas como H2, O2, metano y diferentes especies metálicas. Este comportamiento está relacionado con su gran área superficial (entre 150 y 1500 m2 g−1), con la posibilidad de establecer interacciones - y con la excelente estabilidad química, térmica y mecánica, lo que los convierte en un material de gran interés para ser usado como adsorbente de compuestos polares y no polares mediante extracción en fase sólida (SPE) [1-3]. Los CNTs se han empleado con éxito en SPE para la extracción de analitos orgánicos e inorgánicos, pudiéndose emplear tanto nanotubos de carbono puros, como oxidados o funcionalizados. Los CNTs puros presentan la posibilidad de establecer fuertes interacciones de van der Waals y una alta energía superficial, lo que los hace insolubles en la mayoría de disolventes orgánicos y disoluciones acuosas al presentar una gran tendencia a la agregación espontánea. Consecuentemente, este hecho limita en gran medida su uso como adsorbente [4]. Sin embargo, la solubilidad y la capacidad de adsorción de estas estructuras hidrofóbicas puede ser altamente mejorada por introducción de grupos hidrofílicos en su estructura a través de su funcionalización. La presencia de grupos carboxílicos, carbonilos e hidroxilos en la superficie del nanotubo produce un notable incremento de su solubilidad y de su capacidad de intercambio iónico [5]. La estrategia más común para lograr unir dichos grupos funcionales en la superficie externa de los CNTs es mediante la funcionalización covalente exoédrica llevada a cabo mediante procesos de oxidación sobre nanotubos puros. En este caso, la unión ocurre preferentemente en las cubiertas de los extremos de los CNTs y en los sitios con defectos, y en menor medida en las paredes de los nanotubos. En la Figura 44 se observa un proceso de oxidación de nanotubos puros. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 166 Figura 44. Proceso de oxidación de nanotubos puros [6]. Se han propuesto numerosos procedimientos de oxidación de los CNTs, tanto en fase gaseosa (oxidación con aire o plasma), como en fase líquida (empleando diferentes ácidos, oxidantes y/o mezclas de ambos), siendo ésta última la más habitual por su sencillez y efectividad [4]. El tratamiento térmico de los CNTs ha sido considerado como un sistema de obtención de nanotubos oxidados, sin embargo, este procedimiento se emplea normalmente como método de purificación previo, ya que es muy útil para eliminar residuos carbonosos y restos de metales catalíticos usados en su síntesis [4]. Entre las diferentes formas de oxidación de nanotubos en fase líquida se ha considerado el empleo de ácido nítrico en diferentes condiciones, así algunos autores han propuesto la inmersión de los nanotubos de carbono en dicho ácido a temperatura ambiente [7], y otros sometiéndolos a calentamiento por reflujo variando la temperatura y el tiempo de reacción [8]. Sin embargo, la forma más habitual de producir la oxidación de los CNTs es mediante su reflujo con una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico en relación 3:1 [4,9] (véase Figura 44), bajo diversas condiciones de temperatura y/o agitación [4,10]. Asimismo, se ha investigado el uso de energía de ultrasonidos para lograr una mejor oxidación; en este caso, mediante el fenómeno de cavitación se produce una separación inicial entre los nanotubos y se permite un acceso a la superficie del nanotubo más eficiente y la formación de grupos oxigenados de una forma más homogénea. No obstante, ha de tenerse en cuenta que un exceso de energía de ultrasonidos (tanto en tiempo como en potencia) puede causar roturas y acortamientos de los nanotubos, así como la formación de partículas amorfas de carbono [11]. Yang y col. [12], han llevado a cabo la funcionalización de CNTs en una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, bajo energía de ultrasonidos durante 2 horas. Parte experimental 167 Otro procedimiento de funcionalización es el llevado cabo mediante oxidación asistida por microondas. Se ha demostrado que los nanotubos de carbono son excelentes absorbentes de la radiación de microondas [13], por ello, la intensificación de la acción de diversos oxidantes por acción de microondas ha producido excelentes resultados [14]. Wang y col. [15] han llevado a cabo la funcionalización química de CNTs a través de su oxidación con ácido nítrico y exposición de los nanotubos durante 15 minutos a este tipo de energía. Los resultados alcanzados fueron similares a los obtenidos por métodos convencionales, pero en períodos de tiempo considerablemente más cortos. Kuo y col. [16] usaron la misma fuente de energía, pero en este caso utilizaron como oxidantes H2SO4, HNO3 y/o KMnO4. Como ya se ha indicado, se han descrito diferentes estrategias para llevar a cabo la funcionalización de los CNTs con grupos que contienen oxígeno, y se ha constatado que los resultados obtenidos (en cuanto a la cantidad y tipo de grupos funcionales) dependen en gran medida del tipo de tratamiento utilizado y de las condiciones empleadas. Sin embargo resulta muy dificultoso comparar los datos publicados entre sí debido a que, por una parte, existen muchos procedimientos diferentes así como muchas adaptaciones y variaciones de éstos; y por otro lado, la ausencia de un nanotubo de referencia, que ha imposibilitado aplicar las diversas estrategias sobre la misma muestra para su comparación. Debido a estas consideraciones, en el presente capítulo se describen los estudios realizados en este trabajo para evaluar diferentes procesos de oxidación de nanotubos de carbono. Se han estudiado varios procesos de oxidación sobre el mismo tipo de nanotubo, valorando la eficiencia del tratamiento y las diferencias obtenidas en cuanto a su funcionalización. Para ello se han empleado diferentes técnicas de caracterización y adicionalmente se ha valorado la influencia del proceso de oxidación en la dispersión de los CNTs en un disolvente polar, y su efecto en el uso de los mismos como adsorbentes en columna en un sistema de SPE. J. ÁLVAREZ MÉNDEZ 168 3.1.2. Procedimiento experimental 3.1.2.1. Reactivos y material Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) no tratados y preparados mediante deposición química en fase vapor (CVD) con acetileno como fuente de carbono en un flujo de hidrógeno (pureza 95 % m/m, 20-30 nm diámetro externo y longitud ~30 μm) fueron suministrados por Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd. (Chengdu, China). Las disoluciones de ácido nítrico del 65 % (m/v) y de ácido sulfúrico del 98 % (m/v) fueron adquiridas a Merck (Darmstadt, Alemania). El permanganato potásico, hidróxido sódico e hidrogenoftalato de potasio, así como las disoluciones de ácido clorhídrico (37 % m/m) y etanol del 96 % (v/v) fueron suministrados por Panreac (Barcelona, España). Se empleó una balanza analítica de precisión Precisa 80 A-200 M (Pacisa, Madrid, España) y se ha usado una centrífuga Centromix (JP-Selecta, Barcelona, España). Además, se ha utilizado un baño de ultrasonidos Ultrasons H-D (JP-Selecta, Barcelona, España), un horno microondas Milestone ETHOS 900 (Milestone Inc., Shelton, CT, USA) y un horno de mufla Heraeus electronic (Thermo Scientific Heraeus, Waltham, MA, USA). A efectos de caracterización de los nanotubos de carbono resultantes de los diferentes sistemas de oxidación estudiados se ha usado la siguiente instrumentación, disponible en la Red de Infraestructuras de Apoyo a la Investigación y al Desarrollo Tecnológico (RIAIDT) de la USC: microscopio electrónico de transmisión (TEM) modelo JEM-1011 (JEOL, Peabody, MA; USA); espectrómetro IR-Raman modelo MB102 (ABB Bomen Inc., Quebec, Canada). Asimismo, se ha empleado instrumentación perteneciente al Centro de Apoyo Científico Tecnológico a la Investigación (C.A.C.T.I.) de la Universidad de Vigo para la realización de los análisis de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), en concreto se ha usado un espectrómetro ESCA/XPS, K-Alpha (Thermo Fisher Scientific, Somerset, NJ, USA). Parte experimental 169 3.1.2.2. Funcionalización Se han estudiado y evaluado distintos procedimientos de oxidación de CNTs publicados por diversos autores [1,4,7-12,14-21]. Sobre la base de esta revisión bibliográfica, se han considerado nueve metodologías de funcionalización de nanotubos de carbono usando distintos reactivos, condiciones y fuentes de energía para su estudio comparativo a efectos de su empleo como adsorbente en SPE. A continuación se describen los diversos procedimientos, que han sido resumidos en la Tabla 12, incluyendo las correspondientes referencias bibliográficas.  Funcionalización ácida 1 (FAN-24): 100 mg de CNTs se tratan con 25 mL de una disolución de HNO3 al 65 % durante 24 h a temperatura ambiente.  Funcionalización ácida con reflujo de 1 hora (FAN-R1) y 4 horas (FAN-R4): 100 mg de CNTs se tratan con 10 mL de disolución de HNO3 al 65 %. Se somete la mezcla a reflujo a una temperatura de 115 ºC, durante 1 y 4 horas, respectivamente.  Funcionalización ácida con reflujo y con mezcla de ácidos (FANS-R2): 100 mg de CNTs se tratan con 30 mL de disolución de HNO3 al 65 % y 10 mL de disolución de H2SO4 al 98 %. Se somete la mezcla a calentamiento con reflujo (90 °C) durante 2 horas con agitación magnética.  Funcionalización ácida usando energía de ultrasonidos con HNO3 (FANS-US): 100 mg de nanotubos se tratan con 50 mL de disolución de HNO3 al 65 % y 50 mL de disolución de H2SO4 al 98 %. La mezcla se somete a energía de ultrasonidos (potencia: 400 W) durante 2 horas a temperatura ambiente.  Funcionalización ácida asistida con microondas con HNO3 (FAN-MW): 100 mg de nanotubos se tratan con 200 mL de disolución de HNO3 al 65 % (repartidos en 10 bombas de microondas conteniendo 10 mg de nanotubos y 20 mL de HNO3 cada una). La mezcla se somete a calentamiento con energía microondas (potencia: 650 W) durante 12 minutos.  Funcionalización ácida asistida con microondas con H2SO4 (FAS-MW): 500 mg de nanotubos de carbono se tratan con 20 mL de disolución de ácido sulfúrico 1 M en una bomba de microondas. Se exponen a un programa de temperaturas consistente en una rampa de 5 minutos de duración a 400 W de potencia, que hace que la temperatura de