Estudio de la técnica de autoensamblado capa por capa de nanopartículas de plata en soportes carbonosos y su evaluación como sensores para la detección de cianuro

Abstract

El uso de nanopartículas metálicas en sensores se da gracias a las propiedades características de estos materiales a escala nano, principalmente el aumento del área superficial. El área superficial disminuye cuando las nanopartículas se aglomeran, surgiendo la necesidad de soportarlas en sustratos de elevada área superficial. En este trabajo de investigación se estudia el método autoensamblado capa por capa para anclar nanopartículas de plata en diferentes superficies carbonosas: Carbones porosos jerarquizados, nanotubos de carbón con diferentes funcionalidades (Sin funcionalizar, funcionalizados con –COOH y –OH) y se evalúa el efecto sobre la detección de cianuro libre. Las nanopartículas de plata han sido sintetizadas utilizando dos agentes reductores diferentes (citrato de sodio y tirosina). La caracterización de las nanopartículas por voltamperometría cíclica en medio ácido mostratron un pico característico de stripping en 0,4 V; por Dispersión Dinámica de Luz se obtuvo un diámetro promedio de 42,6 nm para el citrato de sodio y 57,6 nm para la tirosina, por UV-visible se observó la resonancia de plasmón superficial en 400 nm característico de las nanopartículas de plata. Los carbones porosos jerarquizados (HPC) fueron sintetizados a partir de moldes rígidos de nanopartículas de SiO2 de diferentes tamaños, obteniéndose carbones con diferente tamaño de poro. Los HPC fueron comparados con nanotubos de carbón comercial, (MWCNT, MWCNT-OH y MWCNT-COOH). El área electroactiva de cada material carbonoso fue determinada mediante medidas de capacitancia a bajas velocidades de barrido, resultados que fueron contrastados con el área BET. El estudio de la técnica autoensamblado capa por capa se realizó utilizando las nanopartículas de plata con tirosina por su estabilidad durante las mediciones, siendo más estables los sensores basados en nanotubos de pared simple sin funcionalizar (NpAg-Tyr-MWCNT) y en carbones porosos jerarquizados de 400 nm de diámetro (NpAg-Tyr-HPC-400 nm), resultados que fueron corroborados por voltamperometría cíclica en medio básico donde se observó la presencia de plata después del ensamblado. Finalmente, estos sensores NpAg-Tyr-MWCNT y NpAg-Tyr-HPC-400 nm fueron evaluados frente a la detección de cianuro libre por potenciometría. El sensor NpAg-Tyr-MWCNT presentó un límite de detección 2,03 μg L-1. El sensor NpAg-Tyr-HPC-400 nm presentó un límite de detección 1,75 μg L-1. Los estudios con interferentes a concentraciones menores de 1 ppm del ion interferente, no varía la selectividad de los sensores.

The use of metallic nanoparticles in sensors is due to the characteristic properties of these materials at the nano scale, principally the increase in surface area. The surface area decreases when the nanoparticles agglomerate, with the need to support them in substrates with a high surface area. In this research work the self-assembly layer by layer method is studied to anchor silver nanoparticles in different carbons surfaces: hierarchical porous carbons, carbon nanotubes with different functionalities (Without functionalizing, functionalized with -COOH and -OH) and the effect is evaluated on the detection of free cyanide. The silver nanoparticles have been synthesized using two different reducing agents (sodium citrate and tyrosine). The characterization of the nanoparticles by cyclic voltammetry in acidic medium showed a characteristic peak of striping at 0,4 V; by Dynamic Light Dispersion an average diameter of 42,6 nm was obtained for sodium citrate and 57,6 nm for tyrosine, by UV-visible the surface plasmon resonance at 400 nm characteristic of silver nanoparticles was observed. The hierarchical porous carbons (HPC) were synthesized from rigid molds of SiO2 nanoparticles of different sizes, obtaining carbons with different pore size. The HPC was compared with commercial carbon nanotubes, (MWCNT, MWCNT-OH and MWCNT-COOH). The electroactive area of each carbons material was determined by capacitance measurements at low scanning speeds, results that were contrasted with the BET area. The study of the self-assembled layer by layer technique was performed using the silver nanoparticles with tyrosine for their stability during the measurements, being more stable the sensors based on multi-walled nanotubes without functionalizing (NpAg-Tyr-MWCNT) and in porous carbons nested 400 nm in diameter (NpAg-Tyr-HPC-400 nm), results that were corroborated by cyclic voltammetry in basic medium where the presence of silver was observed after assembly. Finally, these sensors NpAg-Tyr-MWCNT and NpAg-Tyr-HPC-400 nm were evaluated against the detection of free cyanide by potentiometry. The NpAg-Tyr-MWCNT sensor presented a limit of detection 2,03 μg L-1. The NpAg-Tyr-HPC-400 nm sensor presented a limit of detection 1,75 μg L-1. Interfering studies at concentrations less than 1 ppm of the interfering ion do not vary the selectivity of the sensors.