Desarrollo y validación de un sensor electroquímico para la determinación de contaminantes emergentes de origen farmacéutico en aguas residuales

Los productos farmacéuticos, como contaminantes emergentes (CoEms), están siendo liberados de manera incontrolable al medio ambiente, lo que está causando efectos peligrosos tanto para la biota acuática como para la terrestre y, en consecuencia, para la salud humana1-9. En ausencia de programas de control bien establecidos, solo es posible imaginar la extensión total de este problema1,3-6,10, por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar sensores y dispositivos portátiles, de bajo costo y de última generación para la identificación y cuantificación de los CoEms en muestras ambientales. El desarrollo actual de la nanotecnología, ha puesto a nuestro alcance nanomateriales a base de carbono cómo las nanoestructuras más utilizadas en la construcción de dichos sensores, debido a que sus métodos de producción son relativamente fáciles y muy bien caracterizados, una alta disponibilidad comercial, costo reducido, alta estabilidad química y baja toxicidad9,11-13. Sin embargo, lo más importante es que su conductividad relativamente buena y sus propiedades fisicoquímicas, permiten la construcción de superficies que pueden ser fácilmente modificadas para el desarrollo de sensores y biosensores muy específicos7,9,11-13. Estas características relevantes y deseables, justifican el papel clave que han estado y seguirán desempeñando en el desarrollo de sensores electroquímicos7,9-13 y que serán objeto de investigación en la presente propuesta, específicamente desarrollaremos un sensor electroquímico modificado con láminas de grafeno, que permitirá la identificación y medición económica, confiable, sensible y rápida de algunos grupos de fármacos terapéuticos, analgésicos antiinflamatorios, hipolipemiantes y antiepilépticos. Los resultados se validaran con métodos cromatográficos acoplados a espectrometría de masas (HPLC-MS,CG-MS), y serán además utilizados como complemento de los proyectos “Contaminantes emergentes en aguas residuales: Innovación para la detección y eliminación”, aprobado en enero de 2021 por el Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTEC), el proyecto “Evaluación de una arcilla delaminada como soporte de Fe y Mn, en la remoción del contaminante emergente 17-etinilestradiol” y “Evaluación de estructuras laminares modificadas tipo arcilla e hidrotalcita como catalizadores para la remoción de contaminantes emergentes utilizando un proceso tipo fenton” aprobados en diciembre del 2019 por la pontificia Universidad Javeriana (PUJ) en la modalidad de Proyectos Interdisciplinares y apoyo a proyectos de tesis doctoral. La disposición involuntaria de los CoEms en el medio ambiente ha generado consideración entre la comunidad científica y las autoridades reguladoras ante los posibles efectos adversos concernientes a los ecosistemas acuáticos y la salud humana3-6. Con el aumento de la población mundial y el aumento de la esperanza de vida8, es evidente que también aumentará la influencia que ejercen los CoEms sobre el medio ambiente3,4,6. Esto parece ser evitable o al menos mitigado si pronto se implementan medidas preventivas y procedimientos de tratamiento eficientes3,13. Por ejemplo, la información y el conocimiento adquiridos a través de métodos de seguimiento eficientes, pueden tener un papel crucial en la preservación del medio ambiente al contribuir a establecer una regulación sobre niveles máximos y medidas efectivas contra este problema1-3. La presencia de productos farmacéuticos en el medio ambiente se debe principalmente a limitaciones tecnológicas en el tratamiento de aguas residuales relacionadas con actividades antropogénicas2-6. Los tratamientos convencionales de aguas residuales, todavía ampliamente implementados como procesos principales, no pueden eliminar de manera eficiente los productos farmacéuticos de los efluentes2-6. La ineficiencia de los tratamientos en la eliminación total de productos farmacéuticos incluyendo la acuicultura y la agricultura ha sido demostrada en diferentes estudios, donde se han detectado productos farmacéuticos en el rango entre ng L−1 y g L−1 en muestras de agua recolectadas1-4,13,14. Los productos farmacéuticos tienen funciones biológicas específicas dentro de un organismo durante un período hasta su excreción3,5,6. Sus propiedades fisicoquímicas inherentes los hacen, en cierta medida, persistentes, susceptibles de bioacumularse en los tejidos vivos y tóxicos5,6,13. En esta perspectiva, se han detectado compuestos farmacéuticos en aguas superficiales e incluso en aguas subterráneas, tales productos incluyen medicamentos antiinflamatorios como diclofenaco y ketoprofeno, betabloqueantes, antibióticos (tetraciclinas, sulfamidas entre otros), neurolépticos (principalmente carbamazepina, diazepam), hormonas (etinilestradiol, 17-β-estradiol) y reguladores de lípidos (bezafibrato, ácido clofibrico, gemfibrozil)1-3. El uso continuo de los productos farmacéuticos y su posterior descarga en fuentes acuíferas, los hace omnipresentes en el medio ambiente1-6. La biodisponibilidad de los fármacos los hace susceptibles a su ingestión y/o absorción por parte de la fauna circundante1-6,13, la posible bioacumulación de los CoEms por la exposición crónica a estos productos1-4,13, incluso a niveles de trazas, puede tener un impacto significativo en los organismos no objetivo. Los antiinflamatorios no esteroides y los antidepresivos y los efectos negativos de los compuestos disruptores endocrinos (EDC) como el 17-etinilestradiol o el dietilestilbestrol, sobre las características reproductivas y el comportamiento de la fauna acuática de los organismos se encuentra reportada13,15-18. Conjuntamente, la exposición a los antibióticos que se liberan continuamente a través de las descargas de aguas residuales o como medicamentos veterinarios en las actividades de acuicultura afectando a los microorganismos naturales y generando una posible resistencia bacteriana, lo que pone en riesgo la fauna acuática y, en consecuencia, la salud humana19-21. Otra preocupación sobre la ecotoxicidad es el efecto sinérgico que varios fármacos parecen ejercer en organismos no objetivo19-22; sin embargo, la información sobre los posibles efectos de las mezclas es todavía es escasa y con resultados impredecibles3,19-21. El análisis de las muestras ambientales de los CoEms se ha realizado en la mayoría de los casos en matrices acuosas4,6,14,23. Adicionalmente, estos análisis se realizan principalmente a través de métodos que combinan la separación y la detección simultánea. Entre los métodos que más se destaca está la cromatografía acoplada a espectrometría de masas14,23, esta técnica permite el análisis de residuos múltiples con alta selectividad y buena sensibilidad14,23. Sin embargo, aunque son métodos muy confiables y eficientes, también son técnicas voluminosas, costosas y no portables, además que requieren personal altamente especializado para su operación10,24,25. Por lo anteriormente expuesto, existe una oportunidad excelente para la aplicación de nuevas tecnologías en el desarrollo de sensores para la determinación de los CoEms en muestras de agua contaminadas, y es que en el análisis farmacéutico, la tecnología de sensores se basa principalmente en principios de detección electroquímicos y ópticos 7-12,24,25. Por tanto, los sensores electroquímicos se vuelven una opción versátil, rápida y viable26, que cumple con las prácticas sostenibles mediante el uso de volúmenes de muestra y reactivos reducidos del orden de gotas7-12,22,26. Nuestra propuesta se basa en el desarrollo de superficies electródicas modificadas para la transducción de reacciones redox. La señal generada por la transferencia de electrón entre la superficie del electrodo y el analito en la matriz a estudiar, genera una señal eléctrica que se amplifica y se aprecia como un voltamperograma27,28. La posibilidad de diseñar dispositivos y biosensores portátiles y simples a menor costo permite aplicaciones in situ10,22,27,28, lo que es una gran ventaja y, por lo tanto, una alternativa viable a los métodos cromatográficos más convencionales con respecto al análisis ambiental. Además, una característica competitiva de los sensores electroquímicos es su potencial para ser miniaturizados10,25-31, con énfasis en la contribución de la nanotecnología en este proceso. La nano-estructuración basada en materiales de carbono aprovecha sus propiedades únicas que permiten la construcción de dichos sensores con un rendimiento mejorado con una alta relación superficie-volumen. Adicionalmente, el fácil procesamiento de un elemento químico relativamente abundante como el carbono22,27,28, y la estructura del grafeno permite la fabricación fácil y la disponibilidad comercial de nanomateriales de carbono a un costo aceptable. Estas son ventajas significativas sobre otros nanomateriales competitivos (esencialmente nanopartículas metálicas), lo que lleva a su amplia aplicación en la tecnología de sensores10,22. Y a pesar de esto las dos tecnologías se pueden combinar para mejorar los sensores electroquímicos, es así, que la presente propuesta desarrollaremos un sensor electroquímico modificado con grafeno para la determinación de CoEms en muestras de agua contaminadas. El equipo de trabajo para este proyecto está conformado por el Dr. Drochss Pettry Valencia, de la PUJ Cali, el Dr. Alejandro Pérez y Crispin Astolfo Celis de la PUJ Bogotá y el Dr. Fiederman Machuca de la Universidad del Valle. El Dr. Valencia, trabaja en el campo de los sensores y nano sensores electroquímicos y hace parte del grupo Ómicas y colaboró con el proyecto SENSUm, donde se desarrolló, con otros investigadores de la sede un biosensor e instrumento para la determinación de la enfermedad COVID 19, por modificación de superficies de Carbono, el Dr. Valencia también es el investigador principal del proyecto “Nano-sensor Design and Development for Characterizing Nitrous Oxide (N2O) Emissions from Agricultural Crops in Colombia and UK” recientemente aprobado por la fundación Newton Found del Reino Unido, y es co-investigador del proyecto Contaminantes emergentes en aguas residuales: Innovación para la detección y eliminación del Cyted 2020, liderado por el Dr. Machuca, Proyecto que une esfuerzos entre Colombia, Perú y México para el tratamiento y control de aguas contaminadas con contaminantes emergentes. Los doctores Celis y Pérez, pertenecen a la línea de Investigación Tecnología Ambiental y de Materiales, del grupo GIFUJ del Departamento de Química de la PUJ sede Bogotá, quienes han realizado estudios de eliminación de contaminantes emergentes haciendo uso de estructuras laminares tipo hidrotalcitas y arcillas a condiciones ambientales y actualmente tienen dos proyectos interdisciplinares en estos campos.