i UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO DESARROLLO DE SENSORES ELECTROQUÍMICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE DROGAS SINTÉTICAS EN FLUIDOS BIOLÓGICOS Y MUESTRAS DE INCAUTACIÓN Tesis sometida a la consideración de la Comisión del Programa de Doctorado en Ciencias para optar al grado y título de Doctor Académico en Ciencias JERSON GONZÁLEZ HERNÁNDEZ Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2023 ii Dedicatoria A la vida que amalgama sueños y locuras para que lo inasequible suceda. A las manos que sostienen y abrazan para que los anhelos sean realidad. A esos que de niños soñaron hasta el entusiasmo con lo que un día llegaron a ser. “Country roads, take me home to the place I belong”. J. D. 1971 iii Agradecimientos Agradezco, profusamente, a mi profesora guía, la Dra. Ana Lorena Alvarado Gámez por darme la oportunidad de ser su estudiante e inspirarme, con su devoción y con su carrera académica, a alcanzar mis objetivos. Expreso mi sincero agradecimiento a la asesora de este proyecto, la Dra. Miriam Barquero Quirós por la prontitud de encender una luz y marcar con claridad el camino correcto. Gracias al Dr. Roberto Urcuyo Solórzano, asesor de la tesis. Siempre tuvo la sutil serenidad para calmar mis dudas. Su confianza fue mía también. Al Dr. Luis Arroyo Mora y a su grupo de investigación en el Department of Forensic and Investigative Science, West Virginia University, USA. Gracias por su valiosa colaboración, por su apoyo y por abrirme las puertas de su laboratorio para realizar la primera pasantía de investigación. Me sentí como en casa. Al Dr. Colby Ott de West Virginia University por su compañía, su impecable trabajo y su dedicación a lo largo de todo el proceso de la segunda publicación científica. A la Dra. María Julia Arcos Martínez de la Universidad de Burgos en España. Su caluroso recibimiento me hizo olvidar el frío de la hermosa ciudad. Gracias por darme la oportunidad de trabajar a su lado. Al Dr. Álvaro Colina Santamaría y a su grupo de investigación en la Universidad de Burgos en España. Fue un privilegiado trabajar con “vosotros”. Al B.Q. Guillermo Moya Alvarado por su contagioso carisma y su intachable trabajo colaborativo en la primera y en la tercera publicación científica. Me enorgullece ver su crecimiento profesional. Al M.S.Ed. Nereo Bonomo por su generoso aporte al revisar la escritura de los manuscritos de las publicaciones científicas en el idioma inglés. iv Al Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química (CELEQ) de la Universidad de Costa Rica (UCR) por brindarme las condiciones necesarias para realizar el trabajo de investigación, tanto en la UCR como en las dos pasantías. A la Vicerrectoría de Investigación de la UCR por los tiempos asignados para desarrollar el trabajo de experimentación en el CELEQ. Al Programa de Doctorado en Ciencias por el acompañamiento y apoyo recibido durante estos años. Al Sistema de Estudios de Posgrado de la UCR. Gracias por el apoyo económico para realizar las pasantías de investigación. Al West Virginia University Shared Research Facility por la caracterización estructural de los sustratos de oro para las mediciones de espectroscopia Raman. Al Centro de Investigación en Estructuras Microscópicas de la UCR (CIEMic) por la facilidad para las mediciones SEM de los biosensores. Al Centro de Investigaciones en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCR (CICIMA) por la capacitación y la oportunidad para realizar caracterizaciones estructurales con espectroscopia Raman. A la Sección de Química Analítica de la Escuela de Química de la UCR por su comprensión en la distribución del trabajo complementario a la investigación. A la “pandilla” de Burgos, Fernando, Ramón, Raquel, Pepelu y todos los demás. Fueron los mejores anfitriones y amigos que puede tener un visitante. A los deportes que me han rescatado tantas veces de mí mismo. Gracias infinitas por embriagarme de felicidad. A mi familia y a mis amigos. Las palabras compartidas me recuerdan el inexorable paso del tiempo y la bondad de la vida que aún nos tiene juntos aquí. A Jairo García Céspedes. Puedo escribir los agradecimientos más sinceros esta noche, pero se van tiñendo con tu amor mis pensamientos, una palabra entonces, una sonrisa bastan ¡Gracias, ab imo pectore! v “Esta tesis fue aceptada por la Comisión del Programa de Doctorado en Ciencias de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Doctorado Académico en Ciencias”. ____________________________________________ Dra. Alice Pérez Sánchez Representante de la Decana Sistema de Estudios de Posgrado ____________________________________________ Dra. Ana Lorena Alvarado Gámez Directora de tesis ____________________________________________ Dra. Miriam Barquero Quirós Asesora ____________________________________________ Dr. Roberto Urcuyo Solórzano Asesor ____________________________________________ Dr. Jean Sanabria Chinchilla Representante Programa de Doctorado en Ciencias ____________________________________________ Jerson González Hernández Sustentante vi Índice general Dedicatoria ............................................................................................................................................... ii Agradecimientos ................................................................................................................................... iii Índice general ......................................................................................................................................... vi Resumen ................................................................................................................................................. viii Abstract ..................................................................................................................................................... ix Lista de figuras ......................................................................................................................................... x Lista de abreviaturas ......................................................................................................................... xii Difusión de los resultados ............................................................................................................... xiv 1 Introducción general ...................................................................................................................... 1 2 Marco teórico ..................................................................................................................................... 4 2.1 Sustancias psicoactivas ........................................................................................................ 4 2.1.1 Clasificación de las sustancias psicoactivas ........................................................... 5 2.1.2 Nuevas sustancias psicoactivas (NSP) ...................................................................... 7 2.2 Mediciones electroquímicas ............................................................................................ 11 2.2.1 Instrumentación ............................................................................................................... 11 2.2.2 Técnicas de electroanálisis .......................................................................................... 14 2.3 Voltamperometría ................................................................................................................ 16 2.3.1 Termodinámica de los procesos electroquímicos .............................................. 17 2.3.2 Cinética de los procesos electroquímicos .............................................................. 19 2.3.3 Forma de los voltamperogramas .............................................................................. 24 2.4 Técnicas voltamperométricas ......................................................................................... 27 2.4.1 Barrido lineal de potencial .......................................................................................... 27 2.4.2 Barrido escalonado de potencial .............................................................................. 30 2.4.3 Barrido sinusoidal de potencial ................................................................................. 32 2.5 Sensores químicos ................................................................................................................ 34 2.5.1 Clasificación de los sensores electroquímicos ..................................................... 36 2.5.2 Biosensores electroquímicos ....................................................................................... 39 2.5.3 Sensores espectroelectroquímicos ............................................................................ 42 2.6 Uso de sensores electroquímicos para el análisis de NSP .................................. 45 3 Hipótesis ............................................................................................................................................ 50 vii 4 Objetivos ............................................................................................................................................ 51 4.1 Objetivo general .................................................................................................................... 51 4.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 51 5 Sección experimental ................................................................................................................... 52 6 Resultados y discusión ................................................................................................................ 55 6.1 Apartado I: Sensores electroquímicos ......................................................................... 56 6.1.1 Resumen ............................................................................................................................... 56 6.1.2 Introducción ....................................................................................................................... 57 6.1.3 Publicación científica ..................................................................................................... 60 6.2 Apartado II: Sensor espectroelectroquímico ............................................................ 76 6.2.1 Resumen ............................................................................................................................... 76 6.2.2 Introducción ....................................................................................................................... 77 6.2.3 Publicación científica ..................................................................................................... 80 6.3 Apartado III: Biosensor enzimático .............................................................................. 96 6.3.1 Resumen ............................................................................................................................... 96 6.3.2 Introducción ....................................................................................................................... 97 6.3.3 Publicación científica .................................................................................................. 100 6.4 Discusión general .............................................................................................................. 116 7 Conclusiones generales ............................................................................................................ 121 8 Referencias .................................................................................................................................... 122 viii Resumen La cantidad de nuevas sustancias psicoactivas, popularmente conocidas con términos como: drogas emergentes, drogas de diseño, drogas sintéticas o drogas recreativas, aumenta en el mercado global de las drogas cada año. El uso de nuevas tecnologías para la producción y la comercialización de las sustancias, aunado a una demanda exigente de nuevos efectos psicotrópicos más potentes, son algunos de los factores que contribuyen al incremento de una oferta más variada, así como a la cantidad de consumidores de algún tipo de psicoestimulante a nivel mundial. A raíz del potencial demostrado de los sensores para el análisis de drogas, se desarrollaron cinco sensores electroquímicos de la siguiente manera: tres sensores basados en transductores de carbono, platino y diamante dopado con boro para la determinación de 25B-NBOMe, DMT, BZP y mCPP en fluido oral con límites de detección entre 0.15 µg/mL y 1.8 µg/mL, un sensor espectroelectroquímico de Raman para el análisis selectivo de las catinonas 4-MMC y 4-MEC en orina y en muestras de incautación (límites de detección de 6.6 µg/mL y 2.4 µg/mL para cada molécula respectivamente) y un biosensor enzimático para la cuantificación de fentanilo en muestras de orina con un límite de detección de 0.086 µg/mL y con porcentajes de recuperación entre el 92% y 100%. El desarrollo de herramientas analíticas fiables y robustas, con la capacidad de respuesta in situ para una evaluación preliminar, contribuyen significativamente con la generación de información científica para la atención adecuada de diversas situaciones. Los sensores electroquímicos han ganado terreno en áreas como la toxicología y las ciencias forenses. Esencialmente, porque son dispositivos portátiles de fácil manipulación, altamente versátiles, con mínimos requerimientos en el tratamiento de la matriz y que necesitan cantidades muy pequeñas de muestra. Asimismo, las metodologías electroquímicas –en las que se basa la medición de los sensores– presentan excelentes parámetros de desempeño como bajos límites de detección, alta sensibilidad y muy buena precisión. ix Abstract The number of new psychoactive substances, known popularly by terms such as emerging drugs, designer drugs, synthetic drugs, or recreational drugs, increases in the global drug market every year. The use of new technologies for the production and marketing of substances, along with a rigorous demand for more powerful psychotropic effects, are some of the factors that contribute to the increase in a more varied supply, as well as the number of psychostimulant consumers. Considering the potential of sensors for drug testing, five electrochemical sensors were developed as follows: three sensors based on boron-doped diamond, platinum and carbon transducers for the determination of 25B-NBOMe, DMT, BZP and mCPP in oral fluid with limits of detection in the range from 0.15 µg/mL to 1.8 µg/mL, a Raman spectroelectrochemical sensor for the selective analysis of the cathinones 4-MMC and 4-MEC in urine and seizure samples (limit of detection of 6.6 µg/mL and 2.4 µg/mL for each molecule respectively), and an enzyme biosensor for the quantification of fentanyl in urine samples with a limit of detection of 0.086 µg/mL and an accuracy of 92% and 100%. The development of reliable and robust analytical tools, with the capacity to respond in situ for a preliminary determination, contributes significantly to the generation of scientific information for the adequate addressing of diverse situations. Electrochemical sensors have gained ground in areas such as toxicology and forensic science. Essentially, they are portable devices that are user-friendly and versatile, they require minimal matrix treatment and very small amounts of samples. Likewise, electrochemical methodologies –on which the measurement of the sensors is based– have excellent performance parameters such as low detection limits, high sensitivity, and very good accuracy. x Lista de figuras Figura 1 Clasificación general de las sustancias psicoactivas de acuerdo con el sistema internacional de fiscalización de drogas vigente. ................................................... 6 Figura 2 Clasificación de las nuevas sustancias psicoactivas realizada por ONUDD con base en grupos de sustancias y en los efectos farmacológicos. ................................ 9 Figura 3 Cantidad de sustancias identificadas por cada grupo de NSP en el mercado global de las drogas entre los años 2009 y 2021. .................................................................. 10 Figura 4 Diagrama general del circuito electrónico de un potenciostato. ................. 12 Figura 5 Clasificación general de los principales métodos electroanalíticos. .......... 16 Figura 6 Representación gráfica de la transferencia de electrones en reacciones tipo redox sobre electrodos. .................................................................................................................... 17 Figura 7 Gradiente de difusión con respecto al incremento del tiempo y a la distancia desde el electrodo. ........................................................................................................... 20 Figura 8 Modelación de la doble capa eléctrica al aplicar una carga negativa sobre un electrodo. .......................................................................................................................................... 25 Figura 9 Perfiles comunes del comportamiento de los voltamperogramas. ............ 26 Figura 10 Voltamperometría de barrido lineal. .................................................................... 28 Figura 11 Voltamperometría cíclica. ......................................................................................... 28 Figura 12 Voltamperometrías de barrido escalonado. ...................................................... 31 Figura 13 Voltamperometría de barrido sinusoidal de potencial. ................................ 33 Figura 14 Clasificación de los sensores químicos con base en el tipo de receptor y en el tipo de transductor. ................................................................................................................. 35 Figura 15 Diseño básico de un biosensor con mediador para el flujo electrónico.41 xi Figura 16 Esquema que ilustra el proceso para desarrollar los tres sensores electroquímicos para el análisis de las drogas 25B-NBOMe, BZP, mCPP y DMT. .... 52 Figura 17 Esquema que resume el proceso para desarrollar el sensor espectro- electroquímico para la determinación de las catinonas sintéticas 4-MMC y 4-MEC. ..................................................................................................................................................................... 53 Figura 18 Esquema representativo del proceso para desarrollar un biosensor enzimático para la determinación cuantitativa de fentanilo. ........................................... 54 Figura 19 Estructuras químicas de la drogas 25B-NBOme, BZP, mCPP y DMT. ..... 59 Figura 20 Estructuras químicas de las catinonas sintéticas 4-MMC y 4-MEC. ........ 79 Figura 21 Estructura química del fentanilo y representación de la estructura proteica del citocromo c. .................................................................................................................. 99 xii Lista de abreviaturas Abreviatura Significado 25B-NBOMe Droga del tipo fenetilamina sustituida 4-MEC 4-metiletcatinona 4-MMC Mefedrona ACV Voltamperometría de Corriente Alterna Alternating Current Voltammetry AFM Microscopia de Fuerza Atómica Atomic Force Microscopy BZP Bencilpiperazina CDC Centros para el Control y Prevención de Enfermedades Centers for Disease Control and Prevention CE Contraelectrodo CV Voltamperometría cíclica Cyclic Voltammetry Cyt c Enzima citocromo c DDB Diamante dopado con boro DEA Administración de Control de Drogas de los EE. UU. United States Drug Enforcement Administration DMT Dimetiltriptamina DPV Voltamperometría de Pulso Diferencial Differential Pulse Voltammetry E1/2 Potencial de media onda ER Electrodo de referencia ET Electrodo de trabajo FYL Fentanilo GC-MS Cromatografía de Gases Acoplado a Espectrometría de Masas Gas Chromatography-Mass Spectrometry HOMO Orbital Molecular Ocupado de Mayor Energía Highest Occupied Molecular Orbital ic Corriente de la celda electroquímica iCE Corriente del contraelectrodo iL Corriente límite ip Pico de máxima corriente xiii Abreviatura Significado IUPAC Unión Internacional de Química Pura y Aplicada International Union of Pure and Applied Chemistry JIFE Junta Internacional de Fiscalización de Estupefacientes LC-MS Cromatografía Líquida Acoplada a Espectrometría de Masas Liquid Chromatography-Mass Spectrometry LOD Límite de Detección Limit of Detection LOQ Límite de Cuantificación Limit of Quantification LSV Voltamperometría de Barrido Lineal Linear Sweep Voltammetry LUMO Orbital Molecular Desocupado de Menor Energía Lowest Unoccupied Molecular Orbital mCPP meta-clorofenilpiperazina NPV Voltamperometría de Pulso Normal Normal Pulse Voltammetry NSP Nueva Sustancia Psicoactiva OEDT El Observatorio Europeo de las Drogas y la Toxicomanía ONG Organización No Gubernamental ONU La Organización de las Naciones Unidas ONUDD Oficina de las Naciones Unidas contra la Droga y el Delito OPS Organización Panamericana de la Salud SEC Espectroelectroquímica Spectroelectrochemistry SEC-SERS Espectroelectroquímica de Raman SERS SEM Microscopia Electrónica de Barrido Scanning Electron Microscopy SERS Espectroscopia Raman de Superficie Mejorada Surface Enhanced Raman Spectroscopy SPE Electrodo serigrafiado Screen Printed Electrode SWV Voltamperometría de Onda Cuadrada Square Wave Voltammetry UV-Vis Ultravioleta visible xiv Difusión de los resultados Congresos y presentaciones American Academy of Forensic Science (AAFA) Annual Scientific Meeting 2020 • Del 17 al 22 de febrero, Anaheim, California, USA. • Presentación del póster: Electrochemical screening of novel psychoactive substances with a boron-doped diamond electrode and disposable screen-printed electrodes based on carbon and platinum. Programa de Jornada de Investigación 2021 del Programa de Doctorado en Ciencias de la Universidad de Costa Rica (UCR) • 10 de febrero, Universidad de Costa Rica, sede Rodrigo Facio (virtual). • Exposición oral: Análisis de Nuevas Sustancias Psicoactivas (NSP) por Técnicas Electroquímicas. I Encuentro de Investigadores de la Escuela de Química de la UCR 2021 • 17 de marzo, Universidad de Costa Rica, sede Rodrigo Facio (virtual). • Exposición oral: Análisis de Nuevas Sustancias Psicoactivas (NSP) por Técnicas Electroquímicas. 3ª Escola de Ciências Forenses 2021 • Del 20 al 29 de octubre, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil (virtual). • Exposición oral: Determination of novel psychoactive substances by electrochemical sensors. Ciclo de Charlas en Electroquímica Convenio de Cooperación Sur-Sur 2023 • 09 de marzo, Universidad de Costa Rica, Universidad Estatal a Distancia y Universidad de la República (Uruguay, virtual). • Exposición oral: Sensores electroquímicos para la Determinación de Drogas Sintéticas. Artículos científicos I Publicación: Electrochemical Determination of Novel Psychoactive Substances by Differential Pulse Voltammetry Using a Microcell for Boron-Doped Diamond Electrode and Screen-Printed Electrodes Based on Carbon and Platinum. J. Electroanal. Chem. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2021.114994 II Publicación: Rapid Determination of the ‘Legal Highs’ 4-MMC and 4-MEC by Spectroelectrochemistry: Simultaneous Cyclic Voltammetry and In situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Sensors 2022. https://doi.org/10.3390/s22010295 III Publicación: Electrochemical Biosensor for Quantitative Determination of Fentanyl Based on Immobilized Cytochrome c on Multi - Walled Carbon Nanotubes Modified Screen - Printed Carbon Electrodes. Microchim. Acta 2022. https://doi.org/10.1007/s00604-022-05578-x Introducción general ç1 1 Introducción general Los psicoestimulantes sintéticos son un grupo muy diverso de drogas no controladas definidas como nuevas sustancias psicoactivas (NSP). Según datos de entidades como la Organización de las Naciones Unidas (ONU) y el Observatorio Europeo de las Drogas y la Toxicomanía (OEDT), la cantidad de NSP disponibles en el mercado global de drogas aumenta con cada año. Es común para los distintos países detectar nuevas sustancias mucho más potentes que las drogas convencionales, entre ellas los opioides, los cannabinoides y las catinonas sintéticas; situación que plantea grandes retos para la gestión de la salud pública y para la sociedad [1,2]. Este incremento dinámico de NSP es favorecido, principalmente, por factores como: las nuevas tecnologías, el traslape entre mercados legales e ilegales y componentes socioeconómicos que permean las distintas formas de vida humana [3,4]. El estudio de la oferta y la demanda de psicoestimulantes en un mercado complejo y cambiante deja entrever una predisposición de consumo por las sustancias no controladas, cuyo estatus de no legalidad es ambiguo en muchos países. Estas drogas emergentes se comercializan como una alternativa para las drogas ilegales y se distribuyen a través de nuevos mecanismos que involucran, usualmente, plataformas digitales como las redes sociales [5,6]. Según los últimos informes anuales de la Oficina de las Naciones Unidas contra la Droga y el Delito (ONUDD), algunos de los países más ricos del mundo ―mayor producto interno bruto (PIB)― han logrado contener la rápida propagación de las NSP a través de diferentes acciones que involucran una severa legislación antidrogas. Empero, varias entidades y organizaciones no gubernamentales señalan en la aplicación de estas leyes constantes violaciones a los derechos humanos por parte de las autoridades gubernamentales, una consecuencia lamentable de la actual clasificación de las drogas hecha sin basarse en criterios científicos [7]. Introducción general ç2 Desde otra perspectiva, se observa que los países más pobres con sistemas de control laxos presentan un crecimiento importante en el mercado de las NSP. La falta de recursos financieros, la capacidad limitada de los expertos en salud y una deficiente aplicación de la ley para identificar las NSP con el fin de prevenir un uso inadecuado, aunado a los problemas socioeconómicos que enfrentan estas regiones del planeta, dificultan un abordaje integral y sistematizado de la situación y de la amenaza que esto representa para la vida, la salud y la seguridad [1,8]. Las medidas sanitarias y las restricciones generales relacionadas con la aparición de la enfermedad del coronavirus (COVID-19) han tenido un impacto negativo en la economía global y en la vida social. Estos factores se relacionan con el aumento del consumo de sustancias psicoactivas y, consecuentemente, con el incremento de casos de sobredosis por el uso inadecuado de estupefacientes y psicotrópicos, hechos que han sido muy notorios en los países europeos y de América del Norte [1,8–11]. Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de los Estados Unidos (CDC por sus siglas en inglés de Centers for Disease Control and Prevention) estiman que en el período de doce meses que finalizó en setiembre del 2022, más de cien mil personas murieron por sobredosis de drogas, entre las que resaltan los opioides sintéticos como el fentanilo y sus análogos [12]. A pesar del escaso conocimiento sobre la farmacología y la toxicología de algunas NSP que se consumen, ya sea de forma directa o a través de otros productos de venta –hierbas para aromatizar o sustancias comestibles– se han identificado unas NSP que generan una mayor adicción que las drogas ya conocidas de uso recreativo, como el cannabis. Estos resultados se deben a la rapidez con la que se genera tolerancia a sus efectos en el cuerpo humano por lo que podría ocasionar una elevada toxicidad inmediata o crónica [13]. En respuesta a los nuevos desafíos que plantea el mercado de NSP, es fundamental desarrollar nuevas herramientas tecnológicas para la identificación y la cuantificación de drogas emergentes de manera expedita sin reducir la calidad analítica. Con el fin de agilizar la entrega de resultados se ha propuesto la Introducción general ç3 implementación de varias técnicas alternativas para el análisis químico de drogas; e. g. los métodos electroquímicos como la potenciometría, la voltamperometría y la amperometría [14,15]. Estas técnicas electroquímicas se adaptan bien a las condiciones del laboratorio y a las condiciones de campo, en cuyo caso los resultados in situ son indispensables para la toma de decisiones por parte de las autoridades correspondientes [16]. Los sensores electroquímicos están diseñados a partir de electrodos de trabajo que pueden modificarse con una amplia variedad de materiales para mejorar la sensibilidad y, en algunos casos, la selectividad [17]. El uso de electrodos desechables en la configuración de los sensores, permite superar algunas limitaciones que surgen en los experimentos electroquímicos, tales como la pasivación del electrodo o el depósito de contaminantes insolubles en la superficie activa del electrodo cuando ocurren las reacciones químicas redox [18]. Algunas de las ventajas de los nuevos dispositivos de detección son el tamaño miniaturizado, el bajo costo de producción, así como la capacidad de monitorear en tiempo real. Estas propiedades han promovido aplicaciones potenciales para la comunidad científica en distintas áreas como la toxicológica y las ciencias forenses, en donde el análisis preliminar de NSP de manera confiable y veraz es fundamental para la atención pertinente y la resolución de casos en general. Marco teórico ç4 2 Marco teórico 2.1 Sustancias psicoactivas La Organización Panamericana de la Salud (OPS) define las sustancias psicoactivas como diversos compuestos naturales o sintéticos que actúan sobre el sistema nervioso central y que generan alteraciones en las funciones que regulan los pensamientos, las emociones y el comportamiento [19]. Una serie de características de estas sustancias, tanto intrínsecas como extrínsecas, le endosan una considerable atención en el marco sociocultural. Los usos de estos compuestos químicos pueden ser de carácter farmacológico, recreativo o general como sustancias con valor para la industria. La OPS, además, advierte sobre el riesgo latente del uso de sustancias psicoactivas independientemente de la motivación o de la necesidad por la que se utilizan estos productos. Las consecuencias adversas podrían presentarse en el corto plazo, ya sean problemas de salud inmediatos provocados por una intoxicación o por propiciar situaciones que ponen en riesgo la integridad de la misma persona o de otros individuos, tales como accidentes, conductas violentas, acciones ilegales, prácticas sexuales inseguras, transmisión de enfermedades, entre otros. El uso prolongado de estas sustancias podría implicar problemas más severos que conllevan al desarrollo de trastornos por dependencia en detrimento de la salud y de las relaciones interpersonales [20]. Ciertamente, un impacto negativo en el consumo de psicoestimulantes, a corto o a largo plazo, depende de una interacción multifactorial que abarca aspectos propios del individuo, del tipo de consumo, del contexto social y de las sustancias químicas [19]. La combinación de algunos de los factores anteriores puede generar –en una determinada población– una situación problemática muy compleja de salud pública, la cual, hasta la fecha ha sido combatida, principalmente, por leyes nacionales e internacionales de control y fiscalización de estupefacientes, psicotrópicos, precursores y nuevas sustancias psicoactivas (NSP). En esencia, los Marco teórico ç5 tratados de fiscalización internacional de drogas tienen como objetivo garantizar la disponibilidad adecuada de sustancias psicoactivas para fines médicos y científicos, asegurándose de que estas sustancias no sean desviadas para propósitos “ilícitos” [21]. Concretamente, estas acciones de control internacional han derivado en la prohibición absoluta del cultivo, producción, fabricación, exportación, importación, venta, posesión y consumo de sustancias psicoactivas, excepto cuando la finalidad es farmacológica o científica como se mencionó en el párrafo anterior. Esto ha dejado un registro de 302 sustancias fiscalizadas hasta diciembre de 2021 según el Informe Mundial de las Drogas 2022 de la ONUDD [22]. No obstante, entidades como la Comisión Global de Políticas de Drogas consideran que las políticas mundiales que exigen estas prohibiciones son represivas y causantes de los daños colaterales de la “guerra contra las drogas” [23]. Como repercusiones de estas decisiones poco flexibles, los organismos mencionados señalan: los problemas en la salud, el deterioro de la seguridad pública, el hacinamiento carcelario, la discriminación, el crecimiento del poder de las organizaciones delictivas, la violencia, la corrupción y la falta de acceso a medicamento esenciales. Este panorama deja entrever la necesidad de aplicar políticas sustentadas en evidencias científicas para la clasificación y el manejo de las sustancias psicoactivas de forma adecuada, ya que prácticas arbitrarias dotaron con el privilegio de legalidad a drogas como el alcohol y el tabaco a pesar de su innegable impacto negativo en la salud pública, los individuos, las familias y las sociedades [24–29]. 2.1.1 Clasificación de las sustancias psicoactivas Existen varias formas de clasificar los psicoestimulantes con base en su abordaje. Por ejemplo, se pueden agrupar por sus efectos farmacológicos en depresoras, estimulantes o alucinógenos; es posible clasificarlas por el origen en naturales, semisintéticas o sintéticas; se pueden separar por su condición de legalidad en legales, ilegales y no controladas; incluso se pueden diferenciar por sus propiedades fisicoquímicas o por su estructura molecular [30,31]. La forma más Marco teórico ç6 común de clasificación de las sustancias psicoactivas es por medio de los tratados del sistema internacional de fiscalización de drogas impulsados por la ONU a través de la Junta Internacional de Fiscalización de Estupefacientes (JIFE), tal como se desglosa en la Figura 1 [32–34]. Figura 1 Clasificación general de las sustancias psicoactivas de acuerdo con el sistema internacional de fiscalización de drogas vigente. La JIFE tiene el mandato de velar por el cumplimiento de los objetivos de los tratados internacionales. Sin embargo, esta misma entidad ha expresado en varias ocasiones su inquietud ante la desigualdad en diferentes partes del mundo para acceder a sustancias controladas con valor y uso terapéutico [21]. Otros organismos –como ciertas ONG– han denunciado un cumplimiento estricto y violento de las distintas leyes derivadas del régimen internacional de fiscalización de drogas, generando masivas violaciones a los derechos humanos, e. g. las políticas de cero tolerancia implementadas en algunos países han ocasionado la ejecución y la detención de miles de civiles en cortos periodos de tiempo [35]. Asimismo, la ONUDD en su Informe Mundial sobre Drogas 2022 estima que en el año 2020 unos 384 millones de personas con edades entre 15 y 64 años Marco teórico ç7 consumieron alguna droga no legal en los últimos doce meses –una de cada dieciocho personas en ese rango de edad– para un aumento del 26% con respecto a la década anterior [36]. Ese mismo informe señala el impacto ambiental que genera la producción de las drogas ilícitas, el aumento en el consumo de drogas entre las mujeres y las personas jóvenes, así como el crecimiento continuo de la producción y el tráfico de drogas. Lo expuesto anteriormente junto con el complejo dinamismo del mercado global de sustancias psicoactivas –novedosas tecnologías facilitan decenas de nuevas drogas sintéticas cada año– evidencian la incoherencia del obsolescente sistema actual de clasificación de drogas [37]. En consecuencia, la categoría de nuevas sustancias psicoactivas que se muestra en la Figura 1 supera por casi cuatro veces la cantidad total de sustancias controladas a nivel internacional, i. e. la mayoría de las NSP no son fiscalizadas en ningún sentido [38]. 2.1.2 Nuevas sustancias psicoactivas (NSP) El OEDT y la ONUDD han señalado por varios años la disponibilidad y la amplia diversidad en las pautas de consumo de los psicoestimulantes. Es evidente el aumento en la circulación sin precedentes de una serie de drogas distintas a los productos tradicionales controlados en los convenios de fiscalización internacional [39]. La forma típica de referirse a estas drogas es como nuevas sustancias psicoactivas (NSP), término que la ONUDD define como sustancias de abuso, ya sea en forma pura o en preparados, que no están controladas por la Convención Única sobre Estupefacientes de 1961 o por la Convención sobre Sustancias Psicotrópicas de 1971, pero que pueden representar una amenaza para la salud pública [40]. Los nombres con los que se conocen las NSP en el mercado varían considerablemente, tanto que puede resultar confuso para quienes las venden, las compran y las consumen, acertar con la identidad de la sustancia o la composición para el caso de mezclas y preparados [41]. Algunos de los términos más difundidos para los grupos de NSP son: ‘synthetic drugs’ (drogas sintéticas), ‘legal highs’ (euforizantes legales), ‘bath salts’ (catinonas sintéticas), ‘emerging drugs’ (drogas Marco teórico ç8 emergentes), ‘herbal incense’ (cannabinoides sintéticos), ‘designer drugs’ (drogas de diseño), ‘club drugs’ (drogas recreativas), ‘research chemicals’ (drogas de varios grupos, e. g. análogos de la fenciclidina y cannabinoides sintéticos) y ‘chemsex drugs’ (drogas sexuales). Si bien muchas de estas sustancias no ilegales son conocidas desde hace varias décadas; lo que resulta novedoso –como lo indica su nombre NSP– es el uso, la difusión a través de mercados virtuales y de redes sociales, así como la velocidad con la que se reformulan y rediseñan estas drogas [42–44]. Existen varios criterios para clasificar los NSP, tal como sucede con la clasificación general de las sustancias psicoactivas; por lo tanto, no hay una forma universal convenida para categorizar estas drogas. Así, es usual encontrar diferencias en las listas que brindan entidades como la ONUDD, el OEDT o la DEA (siglas en inglés de U.S. Drug Enforcement Administration) por mencionar algunas [39,40,45]. En la Figura 2 se muestra la clasificación más reciente hecha por la ONUDD en la que se incluyen once clases basadas en el grupo de sustancia y siete categorías basadas en los efectos farmacológicos. Marco teórico ç9 Figura 2 Clasificación de las nuevas sustancias psicoactivas realizada por ONUDD con base en grupos de sustancias y en los efectos farmacológicos. Datos obtenidos del Sistema de Alerta Temprana sobre Nuevas Sustancias Psicoactivas de la ONUDD [38,40]. Entre los años 2009 y 2021 se ha contabilizado un total de 1127 tipos de NSP en el mercado global de drogas (ver Figura 3), mientras que la cantidad reportada por cada año parece estar estable alrededor de los 550 tipos de NSP, después de la expansión que sufrió entre el 2009 y el 2018. Solo en el año 2020, los estados miembros de la ONU identificaron 77 sustancias completamente nuevas de un total de 548 NSP, lo cual deja en evidencia que, así como hay nuevas sustancias que se integran al mercado mundial, otras NSP no se vuelven a ver en la oferta por diversos motivos como: baja rentabilidad o porque ofrecen efectos psicotrópicos similares a los de otras drogas contra las que no pueden adquirir una cuota del mercado de consumidores que les permitan afianzarse [38]. Marco teórico ç10 Figura 3 Cantidad de sustancias identificadas por cada grupo de NSP en el mercado global de las drogas entre los años 2009 y 2021. Datos para el gráfico obtenidos del Informe Mundial sobre las Drogas 2022 de la ONUDD. En el periodo del 2016 al 20220 la mayoría de las NSP identificadas a nivel mundial fueron estimulantes del tipo catinonas sintéticas y fenetilaminas, seguido de los cannabinoides sintéticos, a pesar de la disminución observada en la cantidad de incautaciones de estas sustancias desde el año 2015 [38]. Los últimos informes sobre drogas emitidos por la ONUDD y la OEDT posicionan al cannabis como la droga de mayor consumo a nivel mundial; empero, son enfáticos en la creciente producción de drogas sintéticas –principalmente opioides como los análogos del fentanilo– y del aumento en el consumo experimental y recreativo en todas las latitudes del planeta. De igual forma, estos organismos advierten de la gran cantidad de NSP en la categoría de otras sustancias aún no clasificadas, consecuente con la constante innovación en la producción de drogas, de las cuales la mayoría son NSP con efectos hipnóticos y sedantes como las nuevas benzodiazepinas [22,39]. Marco teórico ç11 2.2 Mediciones electroquímicas La electroquímica se puede definir como el estudio de la transferencia de electrones en el siguiente tipo de reacciones químicas: Ox + ne- ⇌ Red Durante este proceso cada especie se oxida –pierde electrones– o se reduce –gana electrones– a un potencial específico para generar una corriente eléctrica proporcional a la concentración de sustancia [46]. Dicho movimiento de electrones puede ocurrir de manera homogénea en una disolución entre diferentes componentes químicos o de forma heterogénea sobre la superficie de electrodos [47]. En la actualidad, muchos de los estudios modernos electroquímicos de transferencia de electrones son realizados con un equipo analítico conocido como potenciostato, el cual es diseñado para controlar el potencial de un electrodo de trabajo en una celda electroquímica con múltiples electrodos. Se detallará la instrumentación electroquímica actual. 2.2.1 Instrumentación En la mayoría de las aplicaciones potenciostáticas, la celda electroquímica está conformada por un sistema convencional de tres electrodos –indicador, referencia y auxiliar– sumergidos en una disolución electrolítica. El electrodo indicador o de trabajo (ET) está compuesto de un material inerte –por ejemplo, el oro, el platino y el carbón vítreo– en cuya superficie se llevan a cabo las reacciones químicas de interés que dan origen a la corriente eléctrica. El electrodo de referencia (ER) mantiene un potencial esencialmente constante bajo las condiciones que prevalecen en una medida electroquímica; los más comunes son el electrodo de Ag/AgCl y el electrodo saturado de calomel. La triada en la celda la completa un contraelectrodo (CE) conocido también como electrodo auxiliar, generalmente constituido de un material conductor inerte como el platino o el grafito, cuya función es transportar la corriente que circula por el circuito eléctrico de una celda electroquímica [48]. Marco teórico ç12 Un potenciostato se define como un instrumento que controla la diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y un electrodo de referencia a través de la aplicación de una corriente eléctrica que fluye del contraelectrodo hacia el electrodo de trabajo en una celda electroquímica tal como se observa en la figura a continuación [49,50]. Figura 4 Diagrama general del circuito electrónico de un potenciostato. Un potenciostato contiene varios circuitos internos para la generación y la medición de potenciales y corrientes. El funcionamiento básico de este instrumento se explica en el diagrama general de la Figura 4. El componente electrónico principal es un amplificador operacional de alta ganancia (AO-AG) capaz de amplificar un voltaje de entrada. La ganancia de lazo abierto del AO-AG es un factor escalar b bajo el principio de configuración de circuito de retroalimentación negativa, según lo define la siguiente ecuación [51,52]: 𝑉! = −𝛽(∈"−∈#) = −𝛽𝑉$ (1) Marco teórico ç13 donde Vo es el voltaje de salida y 𝑉$ es el voltaje de entrada al amplificador operacional, calculado como la diferencia entre una entrada no inversora (∈#) y una entrada inversora (∈"). El amplificador operacional mantiene el voltaje de la celda –medido como la diferencia de potencial entre los electrodos de trabajo y de referencia– lo más cercano posible al voltaje de entrada de la fuente 𝑉$ . Para alcanzar esta igualdad, dicho dispositivo ajusta el voltaje de salida 𝑉% que va hacia al contraelectrodo para intervenir automáticamente la corriente que circula en la celda (𝑖&). De esta manera, el potenciostato puede ajustar con precisión la señal de voltaje y alcanzar el valor consignado por el usuario correctamente [53]. La corriente emitida por el contraelectrodo a la celda electroquímica (𝑖&') fluye tanto hacia el electrodo de trabajo como hacia el electrodo de referencia. A medida que esto ocurre, el potencial de la celda decae en un gradiente proporcional a la resistencia eléctrica de la disolución. Dado que el cable sensor del electrodo de trabajo empleado para medir su potencial y el electrodo de referencia están conectados a un amplificador operacional verdadero (electrómetro), cuyas entradas presentan una alta impedancia, la corriente no circula en esta parte el circuito –es decir, su valor es cercano a cero– sin embargo, este pequeño flujo de corriente altera el potencial del electrodo de trabajo (el potencial del electrodo de referencia se mantiene constante por su diseño). De modo que la impedancia impuesta por el electrómetro evita la circulación de la corriente de la celda a través de las terminales conectadas a este dispositivo, el único camino factible para que fluya la corriente de la celda electroquímica es a través del electrodo de trabajo. El voltaje de salida del electrómetro, llamado voltaje de retroalimentación (𝑉(), es la diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia, el cual a su vez alimenta la entrada no inversora ∈+ del amplificador operacional de alta ganancia. La función del amplificador operacional tiene como objetivo igualar 𝑉$ con el valor de 𝑉( , por lo tanto, este dispositivo aumentará o disminuirá la magnitud de 𝑉% hasta que estos valores sean equivalentes [54]. Con base en el diagrama del circuito del potenciostato de la Figura 4, se puede deducir que ambas entradas (∈" y ∈#) tendrán el mismo valor, es decir, existe un Marco teórico ç14 cortocircuito virtual (una diferencia de potencial de cero voltios) así que en este punto se suman los voltajes de entrada 𝑉$ y de salida 𝑉% gracias a un bucle de retroalimentación, lo cual simplifica el análisis del circuito y permite considerar que el electrodo de trabajo se encuentra referenciado a tierra virtualmente con respecto al electrodo de referencia (cero voltios) [55]. Por último, la corriente de medición en el electrodo de trabajo no se mide directamente, sino que su voltaje es forzado a pasar por una resistencia conocida (𝑅)), consecuentemente la caída de voltaje a través de esta resistencia es una medida de la corriente de la reacción por medio de la ley de Ohm como se aprecia en la siguiente ecuación: 𝑖* = 𝑉( 𝑅) (2) En muchos de los potenciostatos modernos se incluye un convertidor de corriente a voltaje (I/E) en el circuito para medir corrientes que cambian en varios órdenes de magnitud. La forma de hacerlo es a través de la selección automática de la resistencia para un voltaje determinado. En términos muy generales se puede decir que el ajuste del potencial de la celda con la medición simultánea de la corriente que circula por el electrodo de trabajo, se considera el principio fundamental de las técnicas electroquímicas de voltamperometría [56]. 2.2.2 Técnicas de electroanálisis Los métodos electroquímicos se basan en las propiedades eléctricas de especies químicas en una disolución para determinar la concentración de uno o varios analitos bajo el principio de interacción de la energía eléctrica con la materia. Las variables eléctricas relacionadas de forma directa o indirecta con la concentración química que usualmente se miden en este tipo de ensayos son: potencial (E), corriente (I), resistencia (R) o impedancia (Z) y carga (Q). Otras variables que se pueden monitorear con el mismo propósito son el tiempo (t) y la masa electrogenerada (m). Estos procedimiento de análisis electroquímicos abarcan algunas de las técnicas instrumentales más exactas, específicas y sensibles del Marco teórico ç15 mercado [57]. Además, de forma muy general, tienen la ventaja de que el tratamiento de muestra es muy simple y representan una inversión de menor costo instrumental para los laboratorios en comparación con otras técnicas de análisis [58]. La mayoría de los criterios para clasificar los métodos electroanalíticos se fundamentan en las propiedades del diseño experimental. La separación más simple se realiza con base en el sitio donde ocurre el proceso de medición. El primer grupo lo conforman los métodos iónicos, en los cuales se miden las propiedades electroquímicas en el seno de la disolución. El segundo grupo tiene un alcance mayor de aplicaciones y se compone de los métodos interfaciales o electródicos, cuya señal medida está en función de los fenómenos que ocurren en la interfase entre un electrodo –generalmente sólido– y la disolución [59,60]. En la Figura 5 se esquematiza la clasificación general más común de los métodos electroanalíticos [58]. En este apartado se describirán con detalle únicamente las técnicas de voltamperometría en disoluciones estacionarias (sin agitación). Marco teórico ç16 Figura 5 Clasificación general de los principales métodos electroanalíticos. 2.3 Voltamperometría La técnica de voltamperometría es, en esencia, una diferencia de potencial dependiente del tiempo aplicada a una celda electroquímica cuya corriente resultante cambia en función del potencial aplicado. Al registro gráfico de la corriente versus el potencial se le llama voltamperograma y proporciona información tanto cualitativa como cuantitativa de las especies químicas que participan en el proceso de transferencia electrónica [57]. La modulación electródica externa que se requiere para llevar a cabo la reacción de transferencia de electrones, en principio es determinada por la magnitud energética del orbital molecular desocupado de menor energía o del orbital molecular ocupado de mayor energía, LUMO y HOMO respectivamente (del inglés Lowest Unoccupied Molecular Orbital y Highest Occupied Molecular Orbital), Marco teórico ç17 tal como se aprecia en la Figura 6. Si el potencial de la celda electroquímica alcanza el valor correspondiente para que la especie electroactiva se oxide o se reduzca, comenzará a fluir una corriente eléctrica en el electrodo de trabajo que se le denomina corriente farádica. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC del inglés de International Union of Pure and Applied Chemistry) define la corriente anódica como la corriente parcial provocada por la transferencia de carga desde una especie en disolución hacia la superficie del electrodo –oxidación– y la corriente catódica como la corriente parcial debida al flujo de carga del electrodo hacia la especie en la disolución –reducción– [61]. Figura 6 Representación gráfica de la transferencia de electrones en reacciones tipo redox sobre electrodos. La voltamperometría como técnica de análisis químico sufrió un periodo de desuso después de su invención y desarrollo. Las principales razones para ello fueron las dificultades en el diseño de las celdas electroquímicas y el auge de otras técnicas de análisis como la espectrometría. No obstante, la electroquímica instrumental ha experimentado un resurgimiento en las últimas décadas impulsado por la implementación de diferentes modificaciones en función de los avances tecnológicos que han convertido a la técnica en una herramienta más versátil y más sensible desde el punto de vista analítico [62]. 2.3.1 Termodinámica de los procesos electroquímicos Para comprender como afecta el potencial eléctrico al flujo de la corriente farádica se puede hacer, en primera instancia, un abordaje termodinámico. Desde este punto de vista, el trabajo eléctrico máximo que se puede obtener en una celda Marco teórico ç18 electroquímica a temperatura y presión constantes corresponde a la diferencia de la energía libre de Gibbs (∆𝐺) de la reacción electroquímica, la cual se expresa de la siguiente forma: ∆𝐺 = 𝑅 𝑇 ln𝑄 − 𝑅 𝑇 ln𝐾 (3) En la ecuación anterior R corresponde a la constante universal de los gases ideales (8.314 J/(K mol)), T es la temperatura absoluta (K), Q es el cociente de la reacción química y K es la constante de equilibrio. Por otro lado, el potencial de la celda está relacionado con el trabajo máximo a través de la carga eléctrica (q) y el potencial de la celda (𝐸*) como se muestra en la siguiente ecuación: 𝐸* = − ∆𝐺 𝑞 o ∆𝐺 = −𝑛 𝐹 𝐸* (4) En la expresión anterior n corresponde a la cantidad de moles transferidos en la reacción y F es la contante de Faraday (96485 C/mol). Acá se corrobora que la espontaneidad de una reacción química (∆𝐺 < 0) se presenta cuando el potencial de la celda es positivo. Si la reacción química sucede en una condición estándar controlada, la ecuación anterior se describe como: ∆𝐺° = −𝑛 𝐹 𝐸*° (5) De esta manera, se puede relacionar el potencial estándar de la celda (𝐸*°) con la constante de equilibrio de la reacción química (K) como se ve a continuación: ∆𝐺° = −𝑅 𝑇 ln𝐾 (6) Por lo tanto, el término ∆𝐺° puede ser sustituido por el término de la ecuación (5) para obtener la ecuación siguiente: 𝑛 𝐹 𝐸*° = 𝑅𝑇 ln𝐾 (7) Si se reemplazan en la ecuación (3) los términos derivados en las ecuaciones (4) y (7), el resultado es lo que se conoce como la ecuación de Nernst –en honor al electroquímico formulador Walther Nernst (1864-1941)– mostrada a continuación: Marco teórico ç19 𝐸* = 𝐸*° − 𝑅 𝑇 𝑛 𝐹 ln𝑄 (8) Aunque desde el punto de vista termodinámico, el potencial de la celda (la diferencia de potencial entre los electrodos de trabajo y de referencia) determina si hay o no un flujo de corriente farádica, la magnitud de dicha corriente depende de la cinética de la reacción química [63], por lo que se estudiará este aspecto en el apartado siguiente. 2.3.2 Cinética de los procesos electroquímicos Puesto que la voltamperometría es un método que se aplica en la zona interfacial entre un electrodo y la disolución, las reacciones químicas que ocurren en el electrodo de trabajo son afectadas principalmente por dos factores: el transporte de las especies reaccionantes hacia el electrodo –transferencia de masa– y la transferencia electrónica en la superficie del electrodo –transferencia de carga– . La velocidad total de la reacción es dependiente de la cinética de estos dos procesos y, en menor medida, por factores como la remoción de las sustancias producidas y la adsorción [64]. Transferencia de masa. El transporte de la sustancia electroactiva desde el seno de la disolución hacia la superficie del electrodo se puede describir por tres mecanismos básicos: migración, convección y difusión. La migración eléctrica es el movimiento de una partícula cargada –movimiento de repulsión o de atracción de acuerdo con la polaridad del electrodo– debido a la acción de un campo eléctrico o, en su defecto, de un gradiente de potencial eléctrico, cuyo fenómeno es el responsable de la conducción eléctrica a través de la disolución. La convección, tal como se aplica a la electroquímica, es el movimiento forzado de las especies en la disolución por medios mecánicos tales como la agitación, la rotación del electrodo y las celdas de flujo para transportar los reactivos hacia la superficie del electrodo y, a su vez, remover los productos de la reacción química. La difusión ocurre cuando se presenta un gradiente de concentración entre la superficie del electrodo y el resto de la disolución. Los iones o moléculas se difunden desde la región de mayor Marco teórico ç20 concentración hacia la más diluida generando una capa de difusión (𝛿), tal y como se observa en la Figura 7. Figura 7 Gradiente de difusión con respecto al incremento del tiempo y a la distancia desde el electrodo. A un tiempo inicial de cero, justo antes de la aplicación del voltaje, la concentración en la interfase electródica C0 es igual a la concentración en el seno de la disolución. Cuanto mayor sea el tiempo de aplicación del potencial, mayor será la distancia desde la superficie del electrodo (d) a la cual comienza la difusión. El término dC/dx representa el gradiente de concentración con respecto a la distancia x. Cuando la velocidad de transporte de las especies electroactivas hacia la zona de la interfase es insuficiente, se experimenta una disminución en la caída IR, la cual es compensada con la aparición de un sobrepotencial de difusión. A este fenómeno se le conoce como polarización por concentración, esto generalmente aumenta el potencial necesario para mantener la corriente en una celda electroquímica, la cual estará limitada, en este caso, por la transferencia de masa –si se supone una cinética electródica infinitamente rápida– [63,65]. Con base en las condiciones encontradas en la mayoría de los ensayos electroquímicos, la difusión suele ser el transporte de masa que desempeña un papel significativamente más importante que los demás. Por este motivo, hay una base matemática más desarrollada que en los otros casos que explica sus efectos. De acuerdo con las leyes de Fick, se establece que el flujo por unidad de área es Marco teórico ç21 proporcional al gradiente de la concentración y tiende a decrecer conforme se acerca a la superficie del electrodo, tal como se muestra en la siguiente ecuación: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 = − 1 𝐴 × 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = −𝐷 G 𝑑𝐶 𝑑𝑥J (9) en donde A es el área del electrodo, dN/dt representa el número de moles que reaccionan en el electrodo por unidad de tiempo, D corresponde al coeficiente de difusión y dC/dx es el gradiente de concentración a una distancia x desde electrodo. Así, la velocidad neta de difusión hacia una unidad de área superficial en el electrodo, a un determinado tiempo t, es proporcional al gradiente de la concentración producido por las reacciones químicas en la superficie electródica. Por lo tanto, la ecuación matemática (9) se puede expresar de la siguiente forma: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 = −𝐷 G 𝑑𝐶 𝑑𝑥J,-% = 𝐷(𝐶 − 𝐶!) 𝛿 (10) En la expresión anterior, C es la concentración en el seno de la disolución, 𝐶! es la concentración en la superficie del electrodo y 𝛿 es el grosor hipotético de la capa de difusión. La velocidad de descarga de los iones se puede expresar como i/nF, un término correspondiente a la cantidad de electricidad transportada por equivalente de la especie electroactiva en la disolución. Si se considera que dN/dt es el número de moles reaccionantes por unidad de tiempo, se tiene la siguiente igualdad matemática: 𝑖 𝑛𝐹 = 𝑑𝑁 𝑑𝑡 (11) Aunque la transferencia de masa desde la disolución hacia el electrodo y viceversa se compone de los tres fenómenos de transporte mencionados, en el momento en que la difusión sea el mecanismo de transporte más significativo, la corriente se puede expresar en términos electroquímicos a partir de la combinación de las ecuaciones (9), (10) y (11) para generar la expresión siguiente: Marco teórico ç22 𝑖 = 𝑛 𝐹 𝐴 𝐷 (𝐶 − 𝐶!) 𝛿 (12) Conviene, para la simplificación del cálculo matemático, según se comentó, limitar el transporte de masa a uno solo de los modos existentes. Tanto la migración como la convección pueden ser mitigadas gracias al diseño experimental de la medición. La consideración de un soporte electrolítico inerte en altas concentraciones evita que los productos y los reactivos de la reacción electroquímica experimenten migración debido a las cargas electrostáticas. Si bien es cierto que cada vez más los experimentos voltamperométricos se llevan a cabo en un volumen de una gota (microcantidades) por el diseño de los nuevos electrodos sólidos, hay que tener en cuenta que no siempre se puede o se debe eliminar la agitación (convección) de los ensayos y que, por el contrario, puede ser de interés realizar el estudio en una disolución agitada [66]. Para un transporte de masa gobernado por la difusión, la ecuación de Cottrell establece que cuando se alcanza el equilibrio en un electrodo plano en contacto con una disolución, la velocidad de descarga de los iones es igual a la velocidad de difusión de la especie electroactiva. Dicha ecuación se muestra a continuación y también puede derivarse para electrodos con geometría esférica, cilíndrica y rectangular [56]: 𝑖. = 𝑛 𝐹 𝐴 𝐶K 𝐷 𝜋 𝑡 (13) en donde 𝑖. representa la corriente límite que se explica en la sección 2.3.3. El principal aporte de la deducción de la ecuación (13) es que demuestra que la corriente farádica es directamente proporcional a la concentración de la especie reactiva electroquímicamente. El motivo de llegar a esta expresión matemática radica en que esta proporcionalidad es la base sobre la cual se desarrollan las técnicas voltamperométricas cuantitativas, tan ampliamente extendidas en muchas aplicaciones y campos de la ciencia [58]. Marco teórico ç23 Transferencias de carga. La magnitud de la corriente farádica es también afectada por la velocidad a la que se transfieren los electrones en los procesos electródicos. Las reacciones electroquímicas que se estudian en los métodos de interfase son reacciones heterogéneas en las que se da un intercambio de electrones entre la especie electroactiva y dicho electrodo. La tasa de transferencia de carga es dependiente del potencial eléctrico así como de la estructura de la doble capa (ver la sección 2.3.3), de las reacciones químicas secundarias y de los fenómenos de adsorción y desorción [67]. Si la velocidad de la transferencia electrónica es lo suficientemente rápida, las concentraciones de los reactivos y de los productos en la zona de la interfase se pueden considerar cercanas a los valores en el equilibrio termodinámico ―suponiendo que no hay limitaciones en la transferencia de masa―. En estos términos, la reacción electroquímica se puede considerar que está en un estado aparente como reversible y cuyo comportamiento puede ser estudiado mediante la ecuación de Nernst, ecuación (8). No obstante, si la cinética electródica es lenta al punto de requerir un potencial adicional para sobrepasar la barrera energética de activación, la reacción en el sentido opuesto tiende a inhibirse por la aplicación de un sobrevoltaje. En vista de que la condición del estado del equilibrio químico se ve alterado por la velocidad de transferencia de carga, las reacciones voltamperométricas son electroquímicamente irreversibles, tal como sucede con la mayoría de las reacciones electródicas de compuestos orgánicos. A este fenómeno se le conoce como polarización cinética, en la cual la corriente está controlada por la velocidad a la que se transfieren los electrones entre el electrodo y la especie electroactiva [65]. En el sentido práctico, las reacciones electródicas no siempre se ajustan a uno de los casos de reversibilidad explicados anteriormente, sobre todo porque la cinética de las reacciones es compleja –i. e. hay muchas variables implicadas e incluso hay interacción de variables no contempladas en los modelos matemáticos– lo que significa que no existe una reacción reversible como se entiende en el concepto de idealidad. Los casos en los que la corriente neta es afectada por Marco teórico ç24 componentes de la transferencia de carga en ambos sentidos de la reacción se les denomina cuasirreversibles y se comportan como un sistema híbrido de las reacciones reversibles e irreversibles [68]. 2.3.3 Forma de los voltamperogramas Se conoce como corriente de difusión límite (𝑖.) a la corriente que fluye en una celda electroquímica cuando la etapa cinéticamente determinante del proceso es la transferencia de masa, i. e. la rapidez con la que difunden las sustancias desde el seno de la disolución hacia la superficie del electrodo. En consecuencia, un aumento adicional del potencial no dará por resultado un aumento del flujo de electrones. La corriente tiene en sí dos componentes principales: la corriente farádica –la corriente del proceso redox de interés explicada previamente– y la corriente residual, la cual es independiente del analito electroactivo [69]. La corriente residual se compone de dos fuentes. La primera son las reacciones electroquímicas de las impurezas vestigiales que están de manera inevitable en la disolución, tales como el oxígeno disuelto, las trazas de metales en el agua o las impurezas en la sal del electrolito. La segunda fuente es la corriente de carga o corriente capacitiva que procede de la polarización superficial del electrodo al modificar el potencial. En este sentido, los iones de carga opuesta migran desde el seno de la disolución por el efecto del campo eléctrico en la interfase, por lo tanto, se crea un flujo de corriente sin que tenga lugar un proceso de oxidorreducción, tal y como se aprecia en la Figura 8. Al unir de forma imaginaria los centros de las especies adsorbidas sobre la superficie del electrodo (plano interno de Helmholtz, PIH) con los centros de la primera fila de los iones solvatados de carga opuesta a la polarización del electrodo (plano externo de Helmholtz, PEH) se forma una capa que se le conoce como capa rígida o capa Stern. La zona que comprende la capa rígida y la subsiguiente capa de difusión es lo que se conoce como la doble capa eléctrica que ocasiona la acumulación de carga [70,71]. Marco teórico ç25 Figura 8 Modelación de la doble capa eléctrica al aplicar una carga negativa sobre un electrodo. La corriente capacitiva carga y descarga la capacitancia de la doble capa eléctrica. El potencial disminuye linealmente con la distancia en la capa rígida y logarítmicamente a través del resto de la disolución. PIH = plano interno de Helmholtz y PEH = plano externo de Helmholtz. El perfil de un voltamperograma se determina, básicamente, por la forma en la que se mide la corriente y por el mecanismo de transferencia de masa predominante, ya sea difusión o convección. A pesar de la variedad de técnicas voltamperométricas solo hay tres formas comunes para los voltamperogramas. Si se aplica un mecanismo de convección, la corriente aumenta desde una corriente residual de fondo hasta una corriente límite en forma de S como se ilustra en la Figura 9a. Como la corriente farádica es inversamente proporcional a la capa de difusión (d), la corriente límite se mantiene constante una vez que se establece debido a que la capa de difusión permanece pequeña e invariable. Esto quiere decir que las sustancias electroactivas se aproximan continuamente a la superficie del Marco teórico ç26 electrodo por agitación mecánica y a su vez se remueven los productos de la reacción de la superficie electródica. Figura 9 Perfiles comunes del comportamiento de los voltamperogramas. (a) Corriente límite en condiciones invariables de la capa de difusión. (b) Pico de máxima corriente si la capa de difusión aumenta. (c) Pico de diferencial de corriente con imposición del potencial en forma de pulsos. En ausencia de convección, la capa de difusión se extiende más en la disolución al paso del tiempo, esto provoca que la corriente límite disminuya en forma exponencial y se registre un voltamperograma con una corriente máxima (𝑖/) o pico de corriente (Figura 9b). Esta es la razón principal de que el barrido de potencial sea bastante rápido cuando se trabaja con microelectrodos estacionarios (alrededor de los 50 mV/s). Aunada a las mediciones de corriente en función del potencial aplicado, se presenta otra manera de adquirir los datos de respuesta a través del cambio en la corriente (∆𝑖) luego de un imponer un potencial en forma de pulso como se observa en (Figura 9c), el voltamperograma resultante también muestra una corriente máxima. La medición de la onda de perturbación entre la corriente residual y la corriente límite, que es proporcional a la concentración del analito, hace posible la cuantificación por voltamperometría de potencial variable. En adición, un voltamperograma también es una herramienta cualitativa que permite identificar las especies electroactivas a través del potencial en el que la corriente es la mitad de la corriente límite (potencial de media onda, E1/2) en virtud de que este potencial en particular es independiente de la concentración de la especie química [57]. Marco teórico ç27 2.4 Técnicas voltamperométricas Muchas de las variaciones en la configuración de la técnica de voltamperometría están dirigidas a mejorar la sensibilidad a partir de la discriminación entre la corriente farádica del proceso óxido reductivo y la corriente residual. Las modificaciones principales son adaptaciones modernas del método clásico de polarografía. Los parámetros experimentales en los que se fundamentan los principales cambios son: la forma en la que se aplica el potencial de excitación, el momento en el que se mide la corriente y la aplicación de agitación en la celda. La clasificación de las técnicas en los párrafos venideros se basa en la manera que es aplicado el programa de barrido de potencial e, implícitamente, el tiempo en el que se mide la corriente. Se diferencian los siguientes tres grupos: las técnicas basadas en el barrido lineal de potencial, las técnicas de barrido escalonado y las técnicas de barrido sinusoidal de corriente alterna. 2.4.1 Barrido lineal de potencial Voltamperometría de barrido lineal (LSV del inglés Linear Sweep Voltammetry). Esta técnica corresponde al método clásico y más simple de voltamperometría, en el cual se impone una rampa lineal de potencial en función del tiempo como señal de excitación y se registra continuamente la corriente que fluye en respuesta al cambio de potencial, tal como se muestra en la Figura 10. El voltamperograma típico de estos ensayos electroquímicos expone una corriente máxima o pico de corriente 𝑖/ producido por el aumento de la capa difusiva en ausencia de agitación. Entre las variables experimentales que se pueden controlar se encuentran el potencial inicial, el potencial final y la velocidad de barrido [72]. Marco teórico ç28 Figura 10 Voltamperometría de barrido lineal. (a) Imposición de voltaje de forma lineal en el tiempo. (b) Perfil del voltamperograma en condición de medición estacionaria. Voltamperometría cíclica (CV del inglés Cyclic Voltammetry). Si en la imposición de potencial en forma de barrido lineal en el tiempo se invierte la dirección de la aplicación del potencial y se repite por uno o varios ciclos adicionales, da como resultado una voltamperometría cíclica (Figura 11). Aunque es cierto que esta herramienta analítica no se emplea usualmente para cuantificar, es muy útil para estudiar los procesos electródicos [73]. Figura 11 Voltamperometría cíclica. (a) Representación de la imposición lineal del voltaje para dos ciclos. (b) Perfil del voltamperograma de una reacción electroquímica reversible. La voltamperometría cíclica se lleva a cabo en una disolución sin agitación, lo que da como resultado una corriente máxima en lugar de una corriente límite. Si el proceso es reversible, se observa tanto un pico de corriente para la oxidación como Marco teórico ç29 otro pico para la reducción (Figura 11b), cuyas magnitudes están definidas a 25 °C por la ecuación de Randles–Ševčík: 𝑖/ = (2.69 × 100) 𝐶 𝐴 𝑛1/3 𝐷4/3 𝜐4/3 (14) en donde 𝜐 corresponde a la velocidad de barrido del potencial. Por lo tanto, se observa una dependencia de la corriente con respecto a la velocidad de aplicación del diferencial del voltaje [74]. La separación entre ambos picos de potencial (∆𝐸/) es independiente de la velocidad de barrido y está dada por: ∆𝐸/ = 𝐸/,6 − 𝐸/,* = 0.059 𝑛 (15) En la ecuación anterior, 𝐸/,6 es el potencial de pico anódico y 𝐸/,* corresponde al potencial de pico catódico. Por consiguiente, el potencial de media onda, E1/2, se ubica entre ambos potenciales de pico como se define a continuación: 𝐸4/3 = 𝐸/,6 + 𝐸/,* 2 (16) Si el sistema es irreversible –cinética lenta de transferencia de carga– de manera que no se satisface la ecuación de Nernst, los potenciales de picos se ven desplazados en función de la velocidad de barrido. La corriente de pico en estos casos está dada por: 𝑖/ = (2.99 × 100) 𝐶 𝐴 𝑛1/3 𝛼4/3 𝐷4/3 𝜐4/3 (17) en donde 𝛼 es el coeficiente de transferencia de carga. Para sistemas cuasirreversibles, la corriente de pico está controlada tanto por difusión como por la transferencia de carga. Las ecuaciones (14) y (17) nos indican cuánto se difunde libremente el analito en la disolución y qué peso tiene el coeficiente de transferencia de carga en los sistemas no reversibles [75]. Las desviaciones de la linealidad en un gráfico de 𝑖/ versus 𝜐4/3 sugieren que el sistema es electroquímicamente cuasirreversible o que la transferencia de electrones ocurre por vía de adsorción de las especie electroactiva en la superficie del electrodo [76]. Para estos sistemas en los cuales media la adsorción, la respuesta de corriente se describe por: Marco teórico ç30 𝑖/ = 𝐹3 4 𝑅 𝑇 𝑛 3 𝐴 𝛤 𝜐 = (9.39 × 100) 𝑛3 𝐴 𝛤 𝜐 (18) en donde 𝛤 corresponde a la cobertura superficial de la especie adsorbida en mol/cm2 y la temperatura se considera 25 °C. En la ecuación anterior se observa que, en los casos adsortivos, la relación de 𝑖/ es lineal con respecto a 𝜐 y no con respecto a 𝜐4/3 como en los sistemas difusivos. En términos generales e independientemente del sistema electroquímico, el aumento de la velocidad del barrido (𝜐) provoca un gradiente de concentración más alto cercano al electrodo, lo cual conduce a una disminución en el tamaño de la capa de difusión; en consecuencia, se observa un aumento en el pico de corriente. 2.4.2 Barrido escalonado de potencial En las técnicas de voltamperometría de barrido escalonado, el potencial se incrementa a través de una serie de pulsos discretos y simétricos. Cuanto más pequeña sea la altura del peldaño (aumento de potencial) y entre más corto sea el tiempo del pulso, más se asemejará al barrido lineal de potencial [77]. La principal ventaja de estas técnicas es la mejora en la sensibilidad analítica que proviene de dos factores. El primero de ellos se debe a la relación del potencial de la celda con las concentraciones de las especies reducidas y oxidadas por medio de la ecuación de Nernst. Al aplicarse un pulso de potencial, las concentraciones del cociente de la reacción química se modifican hasta que se cumpla la igualdad en la ecuación de Nernst; por lo tanto, al momento del pulso fluye una corriente mayor producto del reajuste. El segundo factor está relacionado con la discriminación entre las corrientes capacitiva y farádica. Al inicio del pulso ambas corrientes son máximas para luego decaer en el tiempo de forma exponencial; sin embargo, la disminución de la corriente capacitiva es mayor con respecto a la caída de la corriente farádica. Por el contrario, si las mediciones de corriente se realizan al final del pulso o de forma diferencial –i. e. la resta de las corrientes antes y después del pulso– en lugar de hacer mediciones continuas, la corriente farádica será mayor que la corriente Marco teórico ç31 capacitiva; consecuentemente la relación señal/ruido será también mayor en este punto [62]. En la Figura 12, se muestra la forma de la señal de excitación y el voltamperograma resultante para las tres técnicas de barrido escalonado en las disoluciones estacionarias que se describen a continuación. Figura 12 Voltamperometrías de barrido escalonado. Los rectángulos negros indican el momento de medición de la corriente. (a) y (b) representan la forma de imposición de los pulsos de voltaje y el perfil de la onda típico para la voltamperometría de pulso normal, respectivamente. (c) y (d) simbolizan el pulso escalonado de potencial y el perfil de la señal para la voltamperometría de diferencial de pulso. (e) y (f) son la onda de pulsos de potencial y el voltamperograma característico para la voltamperometría de onda cuadrada. Voltamperometría de pulso normal (NPV del inglés Normal Pulse Voltammetry). En esta técnica electroquímica el potencial se varía por medio de una serie de pulsos de amplitud creciente, caracterizados por un ciclo de tiempo t, un tiempo del pulso 𝑡/, un potencial del pulso ∆𝐸/ y un cambio de potencial por ciclo de ∆𝐸7 (Figura 12a). La corriente se mide justo antes de que finalice cada pulso de Marco teórico ç32 potencial –antes de volver a su valor inicial– y se registra frente al aumento de la amplitud del pulso [78]. De la forma del voltamperograma se obtiene una corriente límite de difusión 𝑖. tal como se aprecia en la Figura 12b, pues el tiempo t le permite a la capa difusiva renovarse constantemente después de cada ciclo [79]. La NPV se emplea principalmente cuando es importante mantener una superficie electródica invariable la cual podría verse afectada por imposición de un voltaje. Voltamperometría de diferencial de pulso (DPV del inglés Differential Pulse Voltammetry). Esta modificación se caracteriza porque utiliza un barrido de potencial muy parecido al que emplea la técnica de pulso normal, con la diferencia significativa de que los pulsos tienen una amplitud fija y se superponen a un barrido lineal o escalonado de potencial (Figura 12c). Además, la corriente se mide dos veces por ciclo: una vez justo antes de aplicar el pulso y otra vez precisamente antes de que finalice dicho pulso; la diferencia entre ambas mediciones da como resultado un diferencial de corriente ∆𝑖, a raíz del cual proviene el nombre de esta técnica. Una de las ventajas de la DPV es la forma del voltamperograma, pues resulta más fácil medir la altura de un pico que establecer la corriente límite de difusión [77]. Voltamperometría de onda cuadrada (SWV del inglés Square Wave Voltammetry). Su funcionamiento se basa en la aplicación de dos pulsos de potencial simétricos –uno negativo y otro positivo– los cuales se superponen a un barrido escalonado de potencial que da como resultado una onda cuadrada con una frecuencia usualmente entre 1 Hz y 100 Hz (Figura 12e). La primera medición de corriente se realiza al final del pulso de onda cuadrada de avance y la segunda medición al final del pulso de onda cuadrada de retorno; la diferencia de estas magnitudes da como resultado un pico más grande porque ambas señales individuales tienen polaridades opuestas y, por lo tanto, signos distintos, así que se suman. Una de las ventajas de esta técnica es que puede adoptar valores muy pequeños de t, lo cual disminuye considerablemente el tiempo del análisis [72]. 2.4.3 Barrido sinusoidal de potencial A esta técnica se le conoce como voltamperometría de corriente alterna (ACV de su nombre en inglés Alternating Current Voltammetry). En esta modificación, un Marco teórico ç33 potencial constante de corriente alterna (onda sinusoidal) se superpone a un potencial de barrido lineal (Figura 13). Como sucede en el procedimiento ordinario, el potencial de la corriente continua se varía en la escala usual, con la particularidad de que se mide la corriente alterna farádica producto del potencial alterno, en cuyo voltamperograma se distingue la corriente máxima en forma de pico. La principal ventaja de esta forma de imponer un voltaje de corriente alterna es su capacidad para discriminar entre las corrientes farádica y capacitiva, pues existe un desfase de 45° entre ambas corrientes que permite su diferenciación [80]. La técnica también es útil para estudios de cinética electródica. Figura 13 Voltamperometría de barrido sinusoidal de potencial. (a) Programa de barrido en voltamperometría de corriente alterna. (b) Perfil del voltamperograma en la forma de corriente alterna versus potencial. La elección de la técnica para realizar un análisis electroquímico depende del propósito y de las características de la muestra. La voltamperometría cíclica es una herramienta que suele ser empleada para estudiar el comportamiento general del proceso electroquímico. En contraste, la voltamperometría de barrido lineal (LSV), las técnicas de barrido escalonado (NPV, DPV y SWV) y ACV se utilizan, primordialmente, para análisis químico cuantitativo. La elección de cuál técnica utilizar a menudo depende de la concentración del analito y de la exactitud y la precisión deseadas. Los límites de detección para LSV generalmente son del orden de 10-5 mol/L; con el fin de mejorar este valor se impulsaron las modificaciones que dieron origen a los métodos de barridos sinusoidal y escalonado, así como asociaciones entre las Marco teórico ç34 técnicas y otros procedimientos alternos. Por su parte, ACV cuenta con límites de detección aproximadamente del orden de 10-6 mol/L, NPV del orden de 10-7 mol/L, DPV del orden de 10-8 mol/L y SWV del orden de 10-9 mol/L. Actualmente, los procedimientos de preconcentración electródica, ya sea por electroquímica o por adsorción, permiten disminuir estos límites de detección hasta 10-10 mol/L y 10-12 mol/L, respectivamente. Estos procedimientos son aplicables a las técnicas anteriores y se les conoce con el nombre de voltamperometría de redisolución anódica, catódica o de adsorción [63,65]. 2.5 Sensores químicos Los sensores modernos se emplean para detectar múltiples parámetros de la vida cotidiana. La clasificación más general de los sensores se describe con base en el principio de las mediciones contemplado en el diseño. Los tres grupos principales son: químicos, físicos y biológicos. La IUPAC definió un sensor químico como un dispositivo que transforma la información química, desde la concentración de un componente específico de la muestra hasta el análisis de la composición total, en una señal analíticamente útil. La información química puede provenir de una reacción química del analito o de una propiedad física del sistema investigado [81]. Al menos dos componentes básicos componen todo sensor químico: un sistema de reconocimiento –o receptor– que transforma la información química en una forma de energía y un transductor que convierte la energía en una señal de interés analítico. La forma más común de clasificar los sensores químicos se fundamenta en estos dos elementos, tal como se resumen en la Figura 14. Marco teórico ç35 Figura 14 Clasificación de los sensores químicos con base en el tipo de receptor y en el tipo de transductor. Un sensor electroquímico, según la misma IUPAC, es un sistema de medición que permite convertir la información de una reacción química en una señal eléctrica cuantificable por medio de un transductor apropiado [48]. Los componentes transductores en este tipo de dispositivos son conjuntos electródicos seleccionados con base en la función del sensor y empleados bajo condiciones de operación controladas. Los electrodos sólidos de trabajo como los que están hecho a base de carbón vítreo o de diamante dopado con boro han sido extensamente estudiados como transductores porque presentan una amplia ventana de potenciales eléctricos y una baja corriente residual, características muy deseables para la construcción de los sensores [82,83]. Las mejoras sustanciales en el desarrollo de ciertos electrodos los hacen cada vez más versátiles y han solucionado algunos de los inconvenientes en el uso de los electrodos convencionales, tales como la baja reproducibilidad, los procedimientos tediosos de limpieza y la cantidad de muestra requerida para el análisis. Los principales cambios han surgido de la miniaturización y del carácter desechable de los nuevos electrodos. Por ejemplo, como ha sucedido con los dispositivos elaborados con la tecnología serigráfica, los cuales han impulsado el desarrollo general de los sensores químicos [84–86]. Marco teórico ç36 El uso de los electrodos serigrafiados (SPE del inglés Screen-printed Electrode) como una herramienta de análisis químico ha revitalizado algunas de las aplicaciones básicas de la electroquímica. Su diseño clásico de los tres electrodos integrados en un sustrato ha llegado, incluso, a sustituir las celdas electroquímicas comunes como consecuencia de la reducción del volumen de trabajo a una sola gota. Para serigrafiar este tipo de electrodos se emplean tintas de diversas composiciones entre las que destacan la tinta de carbono, de plata, de oro y de platino; ya sea sobre un sustrato rígido como la cerámica o sobre un sustrato flexible como el plástico o los textiles. El proceso de fabricación de estos dispositivos incluye, además, una etapa de secado y de curado a una determinada temperatura de acuerdo con las propiedades que se requieran en el diseño del sensor [87–89]. La simplicidad de fabricación y el bajo costo que conllevan los sensores electroquímicos los han posicionado en el mercado como una herramienta analítica significativa para detectar y cuantificar una amplia variedad de analitos en diversas áreas como la biomedicina, las ciencias ambientales y las ciencias forenses [90]. Es importante resaltar que este tipo de sensor es el más utilizado principalmente por su buen desempeño analítico que se hace notorio en los bajos límites de detección, en un amplio rango lineal y en una buena precisión; todo lo anterior combinado con cortos intervalos de tiempo de análisis y con la posibilidad de realizar mediciones veraces en tiempo real sobre la composición química de su entorno, ya sea en el laboratorio o en condiciones de campo [91]. 2.5.1 Clasificación de los sensores electroquímicos Los sensores electroquímicos se pueden subdividir en varias categorías en función de la técnica de electroanálisis utilizada. Los sensores más comunes son los conductimétricos, los potenciométricos y los voltamperométricos. En este apartado se describirán con mayor detalle los sensores voltamperométricos, cuya variable de medición es la corriente en función del potencial aplicado. Sensores conductimétricos. El principio de funcionamiento de los sensores de este grupo es la medición de los cambios de la conductividad eléctrica o de alguna otra propiedad relacionada con la conductividad, ya sea de una porción de un Marco teórico ç37 material o del seno propio del material cuya conductividad se ve afectada por la presencia de un analito. Las mediciones con estos dispositivos determinan la habilidad de una sustancia para restringir el paso de una corriente entre dos electrodos –resistencia eléctrica o en su lugar impedancia si emplea una corriente alterna– [92]. Los métodos que se utilizan con los sensores conductimétricos son principalmente no selectivos debido a que la gran mayoría de electrodos son fabricados de metales inertes como el oro o el platino. No obstante, el desarrollo de nuevos materiales aplicados en la modificación de superficies electródicas junto con una instrumentación muy mejorada, han permitido formular procedimientos más viables para diseñar sensores selectivos para ciertos iones [93]. Sensores potenciométricos. Este tipo de sensor se basan en la medición interfacial de la diferencia de potencial de un electrodo indicador con respecto a un electrodo de referencia en condiciones de circuito abierto, es decir, cuando no hay un flujo de corriente eléctrica en el electrodo. La señal de un sensor potenciométrico se basa en la ecuación de Nernst (8), la cual predice una dependencia lineal de la respuesta del sensor en función del logaritmo de la actividad o de la concentración de la especie en disolución. Los sensores potenciométricos han sido el grupo de sensores electroquímicos más estudiados y desarrollados a través de varias décadas. La mayor aplicación de estos dispositivos provino de la creación de los electrodos selectivos de iones como sucedió con el electrodo de membrana selectiva de vidrio, tan ampliamente utilizado hoy en día para las mediciones de pH. Los electrodos indicadores metálicos redox y los electrodos de óxido metálico mixto son los otros dos tipos de electrodos que se emplean para el diseño y elaboración de los sensores pertenecientes a esta categoría [94,95]. Sensores voltamperométricos. Los sensores de este tipo registran la información del sistema de medición a través de la intensidad de corriente obtenida (directa o alterna) al imponer un potencial eléctrico sobre el electrodo de trabajo. Tal como se explicó en la sección 2.3, la aplicación de esta técnica en el desarrollo Marco teórico ç38 de sensores conlleva a la medición de la corriente en función de un barrido temporal de potencial en la celda electroquímica. Sin embargo, esta forma de imposición de potencial no es la única forma de aplicar un voltaje en el electrodo de trabajo. Si el potencial se mantiene constante durante todo el ensayo se puede medir la corriente en función del tiempo, a este subgrupo de sensores se les conoce como sensores amperométricos. Otro subgrupo de sensores en esta categoría, aunque menos comunes, son los dispositivos que no requieren de una fuente externa de corriente, conocidos como sensores galvánicos [81,96]. Según la IUPAC, los sensores voltamperométricos se fundamentan en el uso de electrodos inertes, electrodos químicamente activos y electrodos modificados [81]. La investigación en el uso de materiales novedosos para este último grupo de electrodos ha mejorado algunas de las limitaciones que presentan los sensores electroquímicos en general que ocasionan, por ejemplo, disminuciones en la selectividad y en la sensibilidad. Los sistemas modernos de detección se han beneficiado de los avances de la microelectrónica y la microingeniería, principalmente en el desarrollo de electrodos miniaturizados y más baratos cuya respuesta analítica suele tener una mejor relación de la señal con respecto al ruido [97]. La innovación en el desarrollo de sensores voltamperométricos ha implementado, además, los beneficios de la nanotecnología y la nanociencia a través de la síntesis y de la aplicación de los nanomateriales compuestos. Las propiedades de estos materiales a escala nanométrica repercuten, particularmente, en los sistemas de medición, en los cuales la relación de la superficie entre el volumen desempeña un papel importante, tal como sucede en las mediciones electródicas interfaciales [98,99]. Entre los materiales más utilizados para la modificación de superficies de los electrodos están los metales, las cerámicas, los semiconductores, los polímeros, los compuestos organometálicos y las biomoléculas. Las estructuras nanométricas comunes en las que se emplean estos materiales tienen formas de nanopartículas, nanotubos, nanoestrellas, nanofibras, nanoesferas y nanoláminas [100,101]. Marco teórico ç39 Algunos de los materiales nanocompuestos ampliamente utilizados son las nanopartículas de oro, los nanotubos de carbono, el grafeno y las enzimas. Entre las principales ventajas que aportan las modificaciones de los electrodos, aparte del ya mencionado, aumento del área superficial, destacan el aumento de la reactividad, una mayor biocompatibilidad, el incremento en la adsorción, la catálisis de reacciones electroquímicas y el soporte estructural para la inmovilización de moléculas. Algunas de estas características influyen positivamente en la eficiencia de la transferencia de carga, lo que se traduce en un mejor desempeño analítico del sensor [91]. 2.5.2 Biosensores electroquímicos La modificación de los transductores electroquímicos (electrodos) con biomoléculas ha sido una práctica muy estudiada para el desarrollo de dispositivos más sensibles y puntualmente más selectivos. Los biosensores se pueden diferenciar de acuerdo con el elemento biológico utilizado como receptor. Algunos de estos pueden ser: organismos, anticuerpos, membranas, organelas, células, tejidos, ácidos nucleicos y enzimas [102]. Las modificaciones electródicas dan origen a biosensores conductimétricos, potenciométricos y voltamperométricos; la elección de la técnica de electroanálisis depende de la reacción biológica que media a través del sistema de reconocimiento. El receptor molecular podría involucrar una conversión del analito en sus respectivos productos por medio de un proceso biocatalítico, o bien, medir las interacciones del analito a través del reconocimiento específico sin una reacción química basada exclusivamente en la bioafinidad. De estos dos subgrupos de biosensores, es claro que los biocatalíticos requieren de una mayor atención en esta sección puesto que los sensores voltamperométricos miden la corriente que se produce en una reacción de transferencia de electrones [92,103]. Los biosensores surgieron en la década de los años 1960. La primera publicación científica sobre un biosensor se refiere a un dispositivo propuesto para la determinación de la glucosa en la sangre. Su principio de medición se fundamentó en la reacción catalítica de oxidación del monosacárido en ácido glucónico por Marco teórico ç40 acción de la enzima glucosa oxidasa inmovilizada en un electrodo selectivo de oxígeno [104]. Desde entonces, los avances en el desarrollo de este tipo de sensor electroquímico han sido muy significativos, convirtiéndolo en uno de los sensores con mayores aplicaciones gracias a los enfoques innovadores que involucran múltiples disciplinas [105]. Entre los componentes receptores típicos de los sensores biocatalíticos destacan las enzimas, unas