Sensores ópticos de gases tóxicos basados en reactivos selectivos soportados en películas porosas

Abstract

En esta memoria se han estudiado distintos tipos de materiales con potencial para el desarrollo de sensores ópticos de gases tóxicos que han sido soportados sobre películas porosas para su posterior verificación como sensores de gases. Además, se han establecido distintos procedimientos de calibración para la cuantificación de los analitos estudiados. El Capítulo 1 o Introducción se ha dividido en tres grandes bloques. En primer lugar, se ha elaborado una introducción general sobre la importancia y repercusión que tienen los distintos gases contaminantes. Seguidamente se han expuesto algunos de los métodos analíticos desarrollados para la detección de gases tóxicos. En el apartado tres, se describen las distintas moléculas sensoras que se han usado en el desarrollo de los sensores descritos en esta tesis, así como la razón que ha motivado su selección como candidatas para su uso como parte del sensor en soporte sólido. En el Capítulo 2 o Experimental, se detallan y especifican las características de los materiales utilizados, así como el montaje experimental y la metodología empleados para la caracterización del proceso sensor. Se exponen los detalles técnicos de los equipos y de los reactivos usados. Además de la información que se encuentra en este capítulo, estos datos se complementan en cada uno de los apartados correspondientes de los capítulos de resultados. Los capítulos que se resumen a continuación contienen los resultados obtenidos durante la consecución de esta tesis. En el Capítulo 3, se han usado películas finas nanocristalinas de TiO2 creadas mediante screen printing como matriz para el reactivo de Harrison. Esta película ha sido empleada como sensor óptico de fosgeno gaseoso. Se ha demostrado la capacidad sensora de esta película frente a diferentes concentraciones del analito estudiado, estableciendo, además, un calibrado que permite la cuantificación de fosgeno, tanto en muestras comerciales de este compuesto como en muestras generadas a partir de la descomposición de cloroformo. La capacidad sensora del sistema no se ve mermada por ninguno de los potenciales interferentes que pudieran afectar a la detección de fosgeno, por lo que se puede concluir en que el sensor tiene una excelente selectividad frente al analito estudiado. Además, se ha estudiado la capacidad de incorporar este sensor a un dispositivo portátil que se pueda ser usado de sonda para la detección de compuestos de interés ambiental o industrial. En el Capítulo 4, se ha estudiado la capacidad sensora del (bis(7-nitrobenzo[c][1,2,5]oxadiazol-4-yl)sulfano, (NBD)2S, depositado sobre una tira de papel de cromatografía Whatman, frente a H2S gaseoso. El (NBD)2S ha sido sintetizado a partir de su precursor NBD-Cl mejorando el método propuesto por Montoya y col. La exposición al H2S gaseoso se realizó usando la técnica passive sampling o exposición pasiva en la que el sensor se encuentra dentro de una cubeta de volumen conocido y dentro de la misma cubeta se genera el gas a la vez que se monitoriza el cambio que este gas provoca en la alguna propiedad de la muestra. Se estudiaron numerosos interferentes observando que el sensor es selectivo al H2S, sin que ninguno de los posibles interferentes que se puedan encontrar en la detección de H2S le afecte de manera significativa. Se ha establecido un calibrado para un rango de concentraciones que va desde las ppb a las ppm mediante el que, para una muestra problema, se puede determinar la cantidad de H2S presente y/o el tiempo que se tardaría en detectar una muestra con una concentración determinada. Estos límites de cuantificación y detección se encuentran muy por debajo de los límites establecidos como potencialmente peligrosos y también muy por debajo que los límites de detección de algunos dispositivos ópticos comerciales. Además, se ha establecido un calibrado que permite usar las coordenadas del espacio de color Lab extraídas de imágenes de smartphone para la cuantificación del H2S, lo que amplía la versatilidad del sistema diseñado. En el Capítulo 5, se ha desarrollado un sensor de triperóxido de triacetona (TATP) a partir de la incorporación de una clorina, sintetizada por el grupo de Ana M. G. Silva en la Universidad de Oporto en películas de TiO2 creadas mediante screen printing. El anclaje de esta clorina ha sido verificado mediante espectroscopía infrarroja (IR) y la pureza del TATP mediante ESI-MS. Esta clorina tiene un rendimiento cuántico de fluorescencia muy elevado, lo que la hace muy buena candidata para su uso como sonda fluorescente. Se ha probado la capacidad sensora de esta molécula al TATP de manera directa, estableciendo tiempos de respuesta muy cortos a concentraciones muy bajas de este compuesto en estado gaseoso, lo que supone un avance notable a la hora de su detección, puesto que en la mayoría de los casos se reportan detecciones indirectas del TATP a través de los productos de su descomposición. Además, se han realizado pruebas con sus principales interferentes viendo que, incluso a concentraciones relativas altas, estos no causan interferencia en su detección. De esta forma podemos afirmar que el sensor desarrollado es un método muy fiable, selectivo y rápido para la detección de este potente explosivo. En el Capítulo 6, se describe la síntesis y caracterización de dos nuevos ligandos fluorescentes, preparados mediante la combinación de la estructura base de una rosamina a la que se le une un receptor de isoftalato utilizando enlaces de amina y amida (Rosamina-aip1 y aip2). Posteriormente se observó la diferencia espectral, tanto en el espectro UV-Vis como en el espectro de fluorescencia, que existe entre estas dos moléculas. Esta caracterización se llevó a cabo tanto en disolución como en películas sólidas nanocristalinas de TiO2, preparadas mediante la técnica de screen printing. Estas películas fueron estudiadas para maximizar su capacidad sensora, evitando, entre otros, los efectos de agregación. Se determinó la capacidad de la Rosamina-aip2 para ser usada como sonda de fluorescencia, mostrando una menor agregación y una mayor capacidad de emisión que la Rosamina-aip1. Posteriormente se realizarán estudios de sensing con posibles analitos que puedan causar en la molécula algún tipo de variación espectral, bien sea en el espectro UV-Vis o en el espectro de fluorescencia. De esta forma se podrá desarrollar un sensor óptico a partir de la Rosamina-aip2.