Desarrollo de un indicador metalocrómico verde para la detección selectiva y visual de iones de cobre (II)

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12501 (2023) Citar este artículo

258 Accesos

Detalles de métricas

Los iones de metales pesados, es decir, el cobre(II) (Cu(II)), son perjudiciales para el medio ambiente y nuestra salud. La investigación actual estableció un indicador sensible a los metales eficiente y ecológico, que puede identificar iones Cu (II) tanto en forma líquida como sólida, mediante la utilización de extracto de antocianina obtenido de la fruta jambolao (Syzgium cumini) que se incorpora dentro de nanofibras de celulosa bacteriana ( BCNF). Los parámetros de color de CIE Lab demostraron que la unión de Cu (II) provoca un cambio sensible de color. Se observó que el color visible se alteraba con un aumento en la concentración de Cu(II). Las nanofibras de celulosa bacteriana que fueron alteradas con antocianina se analizaron utilizando ATR-FTIR y FESEM. La selectividad del sensor se probó utilizando una variedad de iones metálicos como plomo (Pb2+), cobalto (Co2+), cadmio (Cd2+), níquel (Ni2+), aluminio (Al3+), bario (Ba2+), manganeso (Mn2+), zinc. (Zn2+), mercurio (Hg2+) y sodio (Na+). Los hallazgos demostraron que el sensor sugerido mostraba una excelente selectividad hacia el ion Cu(II). El Cu(II) se puede identificar con precisión mediante la técnica de detección, con límites de detección que oscilan entre 10 y 400 ppm y 50 y 500 ppm para muestras líquidas y sólidas, respectivamente, y mediante observación a simple vista. El sensor metalocrómico verde fabricado promete ser simple, económico, móvil y fácilmente operable para la detección in situ y en tiempo real de iones Cu (II).

Los iones de cobre (II) son minerales importantes que componen un régimen alimentario equilibrado y se encuentran en los suplementos dietéticos y pueden provocar enfermedades graves como la dislexia y la hipoglucemia1. Numerosas industrias liberan iones Cu(II) en sus procesos de producción. Puede entrar en la cadena alimentaria y acumularse dentro del cuerpo humano2,3,4. Los iones de cobre son contaminantes comunes producidos por la corrosión de los sistemas de tuberías domésticos y la erosión de los sedimentos naturales, y pueden causar trastornos gastrointestinales, así como daños hepáticos y renales. Por tanto, son uno de los iones de metales pesados ​​importantes5. Se necesita urgentemente el desarrollo de sensores químicos altamente sensibles y selectivos para la detección de iones Cu(II) debido a sus potenciales efectos adversos sobre el medio ambiente y la salud de las personas. El examen de iones de metales pesados ​​se puede realizar utilizando diferentes métodos, incluida la espectrometría de absorción atómica y la espectrometría de masas de plasma acoplado6, la voltamperometría de extracción anódica7,8, la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente9, las microsondas10 y la espectrometría de fluorescencia de rayos X11. Si bien los métodos discutidos aquí han demostrado ser exitosos, su uso está restringido debido a sus requisitos tecnológicos avanzados, su naturaleza lenta, sus técnicas de muestreo destructivas y sus costosos procedimientos de preparación. Entre los diversos métodos de identificación disponibles en la actualidad, se ha prestado especial atención a los sensores colorimétricos debido a su simplicidad y aptitud para la observación in situ. Se descubrió que varios detectores, predominantemente basados ​​en color, incorporaban disposiciones TMB-Ag(I), monolitos supermicroporosos ordenados bidimensionales y tridimensionales12, nanopartículas de plata13, nanomateriales de oro, etc. A pesar de su eficacia, los productos químicos son nocivos, por lo que es fundamental explorar sustancias sensoriales respetuosas con el medio ambiente, como los pigmentos naturales.

Las antocianinas son pigmentos solubles en agua presentes en plantas, frutas y vegetales que les confieren un tono rojizo, azulado o violáceo15. También forman parte de un grupo de sustancias químicas conocidas como flavonoides, que poseen características antioxidantes y han atraído una atención sustancial en el ámbito de la tecnología alimentaria debido a los efectos ventajosos que ofrecen16. En condiciones ácidas, la antocianina tiene tendencia a aparecer de color rojo, mientras que en condiciones neutras presenta una tonalidad azul o violeta, y en condiciones alcalinas muestra tonos verdes o amarillos. Los alimentos presentes de forma natural, como la col lombarda, el rábano, las zanahorias negras, las uvas, las berenjenas y otros alimentos coloridos, contienen antocianinas, pero la fruta tropical jambolao (Syzygium cumini) tiene una variedad de colores. El ingrediente principal del extracto de Jambolao, la antocianina, tiene fuertes propiedades antioxidantes. El fruto pequeño y ovoide del jambolao, que pertenece a la familia Myrtaceae y es autóctono de la India, madura hasta alcanzar un color rojo púrpura a negro debido al alto contenido de antocianinas17,18.

El biopolímero más frecuente que se encuentra en la naturaleza es la celulosa19. Según la estructura, las técnicas y las funciones de la celulosa, se pueden identificar tres clasificaciones principales: nanofibras de celulosa (CNF), nanocristales de celulosa (CNC) y nanofibras de celulosa bacterianas (BCNF). Las nanofibras hechas de celulosa a partir de una bacteria que no es dañina, Acetobacter xylinum, se han convertido en un biomaterial muy prometedor. Estas nanofibras han demostrado un inmenso potencial en el avance de los sensores de papel. Se ha elegido una lámina de nanocelulosa bacteriana como base competente para la creación de una nueva gama de sensores orientados al papel debido a sus excepcionales características químicas y mecánicas, sus ventajas biológicas (compatibilidad con organismos vivos, biodegradabilidad), su estructura permeable y su transparencia. naturaleza y capacidad para ser impreso en20. Se puede incorporar una variedad de nanopartículas ópticas, ya sean luminiscentes o colorimétricas, al andamio de nanored BCNF, que es tridimensional y poroso21. BCNF, un material económico y ecológico, puede servir como base cuando se combina con sustancias reactivas y se utiliza ampliamente en campos relacionados con el almacenamiento y la detección de energía 22. Los principales beneficios de BCNF como material base incluyen su capacidad para renovarse, su biodegradabilidad, su biocompatibilidad, así como su posesión de formas flexibles, fuertes propiedades mecánicas, una gran superficie específica y fibras ultrafinas23,24. Además, la estructura de red permeable es ventajosa para la permeación y amalgama de componentes dinámicos en BCNF para producir sustancias de detección útiles, ampliando la utilización de BCNF y presentando una nueva perspectiva para la creación de sensores adaptables. Un aspecto del rendimiento mecánico superior de BCNF se atribuye a la disposición bien organizada de los dominios cristalinos que resultan de la abundante presencia de enlaces de hidrógeno25. Por el contrario, los enlaces de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares robustos crean una estructura de red muy unida para BCNF, lo que lo hace resistente a la disolución26. En consecuencia, el progreso en la utilización de sustancias detectoras prácticas orientadas a BC es limitado y es imperativo contar con métodos de producción viables para idear y mejorar sustancias detectoras derivadas de BCNF. El crecimiento de los sensores basados ​​en celulosa está ganando un interés amplio y creciente, y la celulosa se ha empleado para fabricar sensores físicos, biológicos y químicos por separado o junto con otras sustancias27. Utilizando la interacción del pigmento fenólico antocianina y Cu (II) en estado líquido, junto con la estructura de nanored 3D de la hoja BCNF, esta investigación ha diseñado un detector biocompatible y sencillo que altera el color tras la exposición a iones Cu (II). . La plataforma ha sido aclarada con respecto tanto a su selectividad como a su límite de detección. La detección de iones Cu(II) se puede lograr con alta eficiencia, rapidez, simplicidad y rentabilidad. La representación esquemática de la detección colorimétrica de Cu (II) utilizando nanofibras de celulosa bacteriana antocianina (BCNF-ANT) que se muestra en la Fig. 1.

Representación esquemática del sensor BCNF-ANT fabricado para la identificación de Cu(II).

La investigación se llevó a cabo utilizando láminas de BCNF húmedas obtenidas de Nano Novin Polymer Co. ubicada en Sari, Irán. En el mercado local se compraron los frutos del jambolao (Bandar Abbas, Irán). Los frutos se limpiaron sumergiéndolos en una solución de hipoclorito de sodio (100 g/mL) durante 10 min. Luego se lavaron en agua destilada y se dejaron secar al aire en bandejas perforadas durante dos horas a 30 °C. Utilizando cuchillos de acero inoxidable, la piel de la pulpa (la parte comestible de los frutos del jambolao) se separó de las semillas, se congeló a -18 °C y luego se protegió de la luz. Sales metálicas como nitrato de plomo (Pb(NO3)2), nitrato de cobalto (Co(NO3)2), sulfato de níquel (NiSO4), cloruro de aluminio (AlCl3), cloruro de bario (BaCl2), sulfato de manganeso (MnSO4), cloruro de cadmio. Merck proporcionó el (CdCl2), el nitrato de cobre trihidrato (Cu(NO3)2.3H2O), el cloruro de zinc (ZnCl2), el cloruro de mercurio (HgCl2) y el nitrato de sodio (NaNO3). Se disolvieron cantidades adecuadas de estas sales en agua desionizada para crear soluciones madre. Inicialmente, la solución madre de nitrato de cobre (II) se produjo a una concentración de 1000 partes por millón (ppm), después de lo cual se realizaron diluciones graduales (10-1000 ppm). Se prepararon soluciones de tampón acetato en el laboratorio mezclando acetato de sodio y ácido acético glacial. Las demás sustancias (de calidad analítica) fueron suministradas por Sigma-Aldrich.

Según el proceso descrito por Brito et al., la antocianina utilizada en la creación de las películas se extrajo de los frutos del jambolao18. Se agregaron frutos de Jambolao (5 g) a una mezcla de solvente HCl 1,5 M/etanol 95% (15:85, v/v), y se dejaron reposar durante 14 h a 5 °C sin exponerlos a la luz. Después del remojo, la mezcla se filtró al vacío y el material sobrante se lavó con el mismo solvente para extraer la mayor cantidad de antocianinas posible, hasta un volumen de 100 ml. Para prepararlos para el análisis, los extractos de antocianinas se colocaron en matraces de color ámbar y se mantuvieron a 5 °C.

Se utilizó el espectrofotómetro UV-visible (SPEKOL 1500) para medir la absorbancia dentro del rango de 300 a 700 nm. Se empleó Thermo Nicolet 370 (Thermo Fisher, EE. UU.) para registrar los espectros ATR-FTIR. El rango espectral registrado estuvo entre 4000 y 400 cm−1, con un intervalo de 2 cm−1. Las imágenes SEM se obtuvieron utilizando FESEM (microscopía electrónica de barrido por emisión de campo) (TESCAN, República Checa).

Se realizó una prueba de Shinoda para determinar la presencia de flavonoides. La prueba consistió en agregar el extracto antociánico a un extracto metanólico (2 a 3 mL) y observar si producía un color rojo, utilizando un trozo de cinta de magnesio y HCl (1 mL)28.

Durante 1,5 h a temperatura ambiente con agitación suave (50 revoluciones por minuto), se sumergieron un total de 5 láminas de BCNF (que medían 20 × 2,5 × 0,3 cm3) en una solución que contenía 100 ml de antocianina. Para eliminar las antocianinas no capturadas de las láminas de BCNF-ANT después de su separación de la solución, se realizaron múltiples enjuagues con agua desionizada con el fin de eliminar las antocianinas de las láminas. Se emplearon clips para presionar los BCNF-ANT entre dos láminas de vidrio recubiertas con papel de filtro normal (Whatman). Después de un período de dos horas a una temperatura de 100°C, los portaobjetos de vidrio se extrajeron del horno. Para implementar los BCNF-ANT, los BCNF-ANT deshidratados se conservaron en un receptáculo marrón desecado.

La evaluación del analito Cu (II) mediante colorimetría y reconocimiento visual se realizó utilizando una solución extraída con antocianinas y una película BCNF-ANT producida a temperatura ambiente. La prueba implicó la adición de iones Cu(II) en concentraciones particulares que oscilaban entre 10 y 1.000 ppm. El pH se ajustó a ~7,0. Cada una de las soluciones de cobre con diferentes concentraciones recibió una adición de 50 μL de antocianina. Además, se prepararon y evaluaron soluciones acuosas con diversas sales metálicas como Pb(NO3)2, Co(NO3)2, CdCl2, NiSO4, AlCl3, BaCl2, Cu(NO3)2.3H2O, MnSO4, ZnCl2, HgCl2 y NaNO3 a una concentración de 400 ppm. Se registraron varias mediciones de coloración después de sumergir la membrana sensora BCNF-ANT en cada solución acuosa. Después de un tiempo de respuesta de 5 minutos, se midieron las intensidades de absorbancia de las muestras a 516 nm mediante un espectrofotómetro UV-vis. En cuanto a la película, se sumergió un trozo de película (BCNF-ANT) en soluciones acuosas que contenían diferentes sales metálicas durante 5 minutos y luego se secó. El tono de la muestra recolectada se evaluó mediante observación visual y espectroscopia UV-visible a una longitud de onda de 516 nm.

Los parámetros establecidos por el CIE Lab se utilizaron para monitorear los cambios colorimétricos utilizando una versión gratuita de ImageJ® (http://imagej.nih.gov/ij). El cálculo de los valores de ΔE se realizó de la siguiente manera29:

donde, L0*, a0* y b0* fueron los valores numéricos de luminosidad (de blanco a negro), rangos de color de rojo a verde y rangos de color de amarillo a azul, respectivamente recopilados a los 0 minutos, y L*, a* y b* fueron los valores al momento del muestreo.

El ensayo de Shinoda se utilizó para determinar la existencia de flavonoides en el producto, lo que resultó en el desarrollo de un tono carmesí en un corto período de tiempo.

Mediante la utilización de espectroscopía ATR-FTIR, se determinó la composición química de los materiales biopolímero/polímero, así como la existencia o no de distintas unidades funcionales. Esencialmente, existen dos formas principales de unidades funcionales: hidroxilo y amina. Las vibraciones (y la ubicación espectral) de estas unidades funcionales pueden modificarse mediante interacciones con otras sustancias30. Los espectros de BCNF, BCNF-ANT, BCNF-ANT-Cu (después de la adsorción del ion Cu (II), ANT diluido y ANT-Cu (II) diluido (a a e) se presentan en la Fig. 2 utilizando ATR- FTIR.

Espectro ATR-FTIR de (a) BCNF, (b) BCNF-ANT, (c) BCNF-ANT-Cu(II), (d) ANT diluido y (e) ANT-Cu(II diluido). Las áreas blanca, amarilla, azul y verde se refieren a la región de la huella digital, los enlaces dobles, los enlaces triples y la extensión del enlace simple, respectivamente.

Las bandas de propiedades de BCNF son las siguientes: el acoplamiento de hidrógeno del grupo amida-A provoca el estiramiento O – H y N – H a 3341 cm −131, la vibración de estiramiento CH a 2894 cm −1 y la vibración de estiramiento C – C. vibraciones esqueléticas y vibraciones de anillo a 1426, 1315, 1158, 1104 y 1032 cm-1, respectivamente.

Las antocianinas se detectaron en películas de BCNF mediante la identificación de picos relacionados con el estiramiento de anillos aromáticos (1600-1584; 1500-1400 cm-1). La banda de amida-I detectada en las muestras a 1630 cm-1 puede explicarse por el estiramiento de C=O en los grupos carboxilo de BCNF. Las alteraciones observadas en los picos a ~ 3500–3200 cm−1 y ~ 1650–1500 cm−1 indican que se formaron enlaces de hidrógeno entre los grupos O – H de antocianina y los grupos O – H y N – H de BCNF32. La interacción Cu(II) y BCNF-ANT provocó un cambio en el pico C=O a 1600 cm-1, afirmando que la unión de iones Cu(II) con antocianina involucra grupos C=O33.

El espectro ANT diluido (Fig. 2d) exhibe una banda de absorción prominente a 1650 cm-1, que corresponde a la vibración de estiramiento del anillo aromático C = C. Al comparar los espectros de ANT-Cu (II) diluido y ANT diluido, es evidente que la banda de absorción a 1650 cm −1 es más pronunciada en el primero (Fig. 2e). En general, tras la adición de iones Cu(II) a la mezcla, se reduce la resistencia de la banda indicada.

Las imágenes SEM se utilizaron para estudiar el atrapamiento del extracto de antocianina en la película BCNF. La Figura 3 ilustra imágenes SEM de BCNF y BCNF-ANT según las pautas dadas. La comparación entre las dos micrografías SEM (Fig. 3a yc) con una barra de escala de 5 µm reveló que la antocianina se incorporó efectivamente a la nanored transparente de BCNF.

Imágenes FESEM de (a, b) BCNF y (c, d) BCNF-ANT con una barra de escala de 5 µm y 500 nm.

Como lo indica una barra de escala de 500 nm, ambas superficies exhiben una morfología nanofibrosa miniaturizada de BCNF.

Como se muestra en la Fig. 4a, en estado de solución, las alteraciones de color visibles varían de rosa claro a verde intenso a medida que la concentración de iones Cu (II) aumenta de 10 a 1000 ppm. El espectro UV-vis de la membrana BCNF-ANT producida mostró un pico distintivo en λ = 516 nm, relacionado con la existencia de ANT, lo que verificó el desarrollo exitoso de la membrana BCNF-ANT (Fig. S1).

Variación de color de (a) solución de antocianinas y (c) sensor BCNF-ANT en diferentes concentraciones (10–1000 ppm) de Cu(II), cambios en la intensidad de absorbancia de (b) solución de antocianinas y (d) sensor BCNF-ANT en 516 nm al detectar el aumento de la concentración (10–1000 ppm) de Cu (II) en medio acuoso, (e) diferencia de color total (ΔE) de la solución de antocianinas y sensor BCNF-ANT en diferentes concentraciones (10–1000 ppm) de Cu (II).

La evidencia sugiere que la creación de enlaces de coordinación entre antocianinas fenólicas y Cu(II) da como resultado el desarrollo de una variedad de complejos de color verde, dependiendo de la concentración de cobre. La cantidad total de Cu (II) en forma acuosa mostró un esquema de correlación (Fig. 4b).

A una longitud de onda de 516 nm, las intensidades de absorbancia mostraron un patrón de correlación que era directamente proporcional al aumento de los niveles de Cu (II) que oscilaban entre 10 y 1000 ppm. Específicamente, las intensidades de absorbancia aumentaron junto con el aumento de la concentración de Cu (II). Cuando la concentración acuosa de Cu(II) se redujo a menos de 10 ppm, no hubo alteraciones en la fuerza de absorción de la solución a 516 nm. En consecuencia, se observó un límite de detección inferior a 10 partes por millón (ppm). El aumento de la concentración de Cu(II) llevó a la identificación de alteraciones colorimétricas notables. Los resultados sugirieron que aumentar el nivel de Cu(II) a 400 ppm no resultó en un aumento en la intensidad del pico de absorción a 516 nm. Por lo tanto, para determinar el límite de detección, se elevó la concentración de cobre hasta alcanzar 400 ppm.

Como se indica en la Fig. 4c, la película BCNF-ANT se puede distinguir por su tono observable cuando se somete a niveles de Cu (II) que varían de 10 a 1000 ppm. Las intensidades de absorción a 516 nm se representan en la Fig. 4d. Mostró un nivel mínimo detectable de 50 ppm y un nivel máximo de 500 ppm. Es de destacar que el análisis de la imagen se realizó de conformidad con la Ec. 1 y los valores de ΔE indicados en la Fig. 4e. En general, las características colorimétricas del indicador se evaluaron utilizando ΔE y cualquier alteración en el color se notaba a simple vista si ΔE excedía 534. Los hallazgos sugieren que el indicador exhibió valores de ΔE superiores a 15 cuando las concentraciones variaron de 10 a 1000 ppm. .

La especificidad de la solución de antocianinas y la película BCNF-ANT para los iones Cu(II) se examinó en presencia de varios iones metálicos seleccionados, incluidos Pb2+, Co2+, Zn2+, Ni2+, Al3+, Ba2+, Cd2+, Hg2+, Mn2+ y Na+. Según las lecturas de absorción a 516 nm, era evidente que la solución de antocianina mostraba una preferencia significativa por los iones Cu (II) (Fig. 5a). En la Fig. 5c se ilustra una percepción relativa con respecto a las intensidades de absorción de la solución de antocianina a 516 nm para los iones metálicos designados (a concentración constante; 400 ppm).

Evaluación de selectividad de (a) solución de antocianinas y (b) sensor BCNF-ANT (400 ppm), información comparativa sobre las intensidades de los máximos de absorción para (c) solución de antocianinas, (d) sensor BCNF-ANT, (e) antocianinas solución con SCN- y (f) sensor BCNF-ANT con SCN- a 516 nm para diferentes cationes metálicos (400 ppm).

Además, se examinó la selectividad del sensor BCNF-ANT en presencia de iones metálicos. Cada ion se usó a una concentración de 400 ppm y las láminas de BCNF-ANT se incubaron durante 5 min. Como se muestra en las figuras 5b yd, se observó una notable disparidad de color entre los iones metálicos seleccionados y el Cu (II). La alteración del color de BCNF-ANT se produjo debido a la unión de antocianina con Cu (II).

Solo se encontraron variaciones menores en los parámetros colorimétricos de CIE Lab (L*, a* y b*) al examinar el sensor BCNF-ANT en presencia de iones metálicos (Tabla 1). Sin embargo, el Hg (II), al igual que el Cu (II), mostró una pequeña sensibilidad al sensor BCNF-ANT. La intensidad del color del sensor BCNF-ANT en estado de solución y película mejoró en presencia de iones Cu (II). Además, el valor de a* varió de positivo a negativo, indicando un cambio de tonalidad de rojo a verde, mientras que el valor de b* positivo aumentó, indicando un cambio de tonalidad de un tono más azulado a uno más amarillento35,36. Sin embargo, los cationes metálicos (Cu(II) y Hg(II)) se encuentran frecuentemente presentes juntos en diversas muestras ecológicas y fisiológicas. En consecuencia, se emplearon agentes enmascarantes para lograr la identificación simultánea selectiva de cada elemento metálico en presencia de otro elemento metálico. SCN- funciona como un agente enmascarante para los iones Hg (II), ya que exhibe una mayor constante de estabilidad con los iones Hg (II) y muestra una capacidad de coordinación limitada con los iones Cu (II)37,38. Como se ilustra en las figuras 5e yf, ANT y BCNF-ANT formaron efectivamente un complejo con el ion Cu (II), incluso en la existencia del ion Hg (II), con la utilización de SCN- como agente enmascarante.

Los cambios en el pH afectan a las antocianinas. Así, se prepararon 400 ppm de Cu(II) como una solución acuosa madre. Se agregaron soluciones tampón que contenían acetato para aumentar el valor de pH de 3 a 12. Los cambios de color de la solución de antocianina y el sensor BCNF-ANT (que contiene Cu (II) 400 ppm) a diferentes pH se muestran en las figuras 6a y b, respectivamente. Se registraron absorbancias UV-Vis para las soluciones preparadas a diferentes niveles de pH. Las figuras 6c, d muestran el gráfico de la intensidad de absorbancia UV-Vis versus el valor de pH en estado de solución y película, respectivamente.

Variaciones de color de (a) solución de antocianinas y (b) sensor BCNF-ANT (Cu(II) 400 ppm) a diferentes pH, cambios en la intensidad de absorbancia de (c) solución de antocianinas y (d) sensor BCNF-ANT a 516 nm al detectar Cu (II) (400 ppm) en medios acuosos a varios pH, (e) los valores de ΔE en varios pH.

La intensidad de la absorbancia UV-vis aumenta a medida que el pH aumenta de 4 a 8 en el estado de solución. Luego disminuye hasta pH 10, lo que sugiere un alto rango de unión potencial entre los iones Cu(II) y los sitios activos de antocianinas. La razón de esto puede atribuirse a los numerosos grupos -OH presentes en la estructura molecular de la antocianina, que pueden funcionar como sitios de coordinación. Cualquier variación en la intensidad de la absorbancia UV-vis se vuelve insignificante cuando el pH excede 10.

En el estado de película, cuando el pH aumenta de 4 a 6, la intensidad de la absorbancia UV-vis aumenta, pero posteriormente disminuye hasta alcanzar el pH 10. La intensidad máxima de absorción fue a pH 8 y 6 en solución y película, respectivamente. Por lo tanto, el sensor fabricado se puede utilizar como sensor selectivo para iones Cu(II) en un amplio rango de pH de 4,0 a 10,0.

A un pH de 6, la antocianina tenía una carga negativa mientras que el cobre existía predominantemente como CuOH+ y Cu(OH)239. Simultáneamente, los biopolímeros (BCNF) experimentaron una desprotonación40,41, lo que resultó en la afinidad electrostática entre la superficie de la película y los componentes de cobre, ayudando así a la creación del complejo ANT-Cu42,43,44. Otros investigadores han obtenido resultados similares con otros metales45,46.

El cambio de color total del sensor se calculó mediante los parámetros de color del sensor a pH 3–12. Como se ve en la Fig. 6e, los valores de ΔE en todos los pH fueron superiores a 5, lo que ilustra una buena variación de color del indicador en condiciones ácidas a básicas.

La vigilancia de los iones de cobre (II) en el agua dulce también es importante, ya que el agua ofrece una ruta alternativa para que el cobre (II) penetre en los sistemas de los organismos vivos. Para identificar la presencia de iones de cobre en una muestra real, se introdujeron concentraciones variadas de soluciones de Cu (II) en la muestra de agua del grifo. Esto se hizo para alcanzar una concentración final de 10, 200 y 400 ppm de Cu(II) en la muestra. La Figura 7 muestra las imágenes relacionadas. Los valores de ΔE calculados para la muestra de agua obtenida del grifo se muestran en la Tabla 2. Todos los valores de ΔE fueron mayores que 5, lo que sugiere que las alteraciones en el color podrían discernirse fácilmente a simple vista en comparación con el color original de ambos. solución y la película. Los resultados sugirieron que el sensor fabricado podría utilizarse eficazmente en el análisis de muestras reales.

Las imágenes de las muestras reales (agua del grifo) potenciadas por las diversas concentraciones de iones Cu (II) (10, 200 y 400 ppm), (a) solución de antocianinas y (b) sensor BCNF-ANT.

Estudios recientes han demostrado que los sistemas de detección colorimétricos son herramientas de detección de iones metálicos eficaces, fáciles de usar y rentables. El extracto de antocianina puede servir como sensor de iones Cu(II), exhibiendo una especificidad, capacidad de respuesta y respeto al medio ambiente excepcionales. Esta investigación reveló que las antocianinas del fruto del jambolao pueden servir como un sensor portátil de estado sólido y de solución para identificar iones Cu(II). El límite de detección en estado de solución oscila entre 10 y 400 ppm, mientras que en estado de película oscila entre 50 y 500 ppm.

Además, se empleó ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) para la extracción de iones Cu(II) de la película BCNF-ANT utilizada para evaluar la reciclabilidad del sensor. Sin embargo, debido a la disposición de las nanofibras de la celulosa bacteriana, no fue posible eliminar por completo las partículas de Cu(II) asimiladas en un período racional.

La Tabla 3 yuxtapone la competencia analítica de nuestro sensor con la de otros sensores que utilizan productos químicos sintéticos como sondas moleculares. Evidentemente, nuestro sensor poseía una sensibilidad menor en comparación con los sensores que utilizan sondas moleculares sintéticas. Sin embargo, este tipo de sensor es muy eficaz para detectar Cu(II) en agua in situ, sin el uso de disolventes orgánicos, lo que lo convierte en una opción sencilla y ambientalmente segura para el autocontrol del agua. A diferencia de los sensores mencionados anteriormente, el sensor colorimétrico producido por esta investigación no requiere componentes electrónicos, personas capacitadas ni equipos sofisticados para su uso.

Creamos un sensor de cambio de color sencillo, rápido, económico, particular, sensible y móvil que detecta iones Cu (II) tanto en estado líquido como sólido utilizando tecnología metalocrómica. El método de identificación se basó principalmente en la antocianina obtenida del fruto del jambolao como elemento cromático espectroscópico inmovilizado en un huésped nanofibroso de celulosa bacteriana (BCNF) en estado sólido. La técnica de detección puede identificar con precisión el Cu (II) con límites de detección que oscilan entre 10 y 400 ppm y 50 y 500 ppm en solución y fases sólidas, respectivamente. Desarrollamos un sensor que puede detectar iones Cu (II) en matrices acuosas en el rango de pH de 4,0 a 10,0, tanto en estado de solución como de película. El sensor es capaz de producir un cambio de color visual que depende de la concentración de Cu(II).

El sensor que desarrollamos es altamente selectivo en presencia de diferentes iones metálicos, incluidos Pb2+, Co2+, Zn2+, Ni2+, Al3+, Ba2+, Cd2+, Hg2+, Mn2+ y Na+. La muestra real de agua del grifo se trató eficazmente utilizando una solución de antocianina y una lámina BCNF-ANT. Nuestro sensor colorimétrico no requiere componentes electrónicos, personal capacitado ni equipos sofisticados. Puede utilizarse in situ para controlar la contaminación de Cu(II) en matrices alimentarias.

Todos los datos producidos o examinados a lo largo de esta investigación se incorporan en este trabajo publicado.

Tarnowska, M. y Krawczyk, T. Haga clic en la química como herramienta en sistemas de biodetección para la detección sensible de cobre. Biosens. Bioelectrón. 169, 112614 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Xie, T., Zhong, X., Liu, Z. y Xie, C. Nanocristales de sulfuro de cadmio anclados en sílice para la detección óptica de cobre (II). Microchim. Acta 187, 1–9 (2020).

Artículo de Google Scholar

Chan, M.-S. y Huang, S.-D. Determinación directa de cadmio y cobre en agua de mar utilizando un espectrómetro de absorción atómica en horno de grafito calentado transversalmente con corrector de fondo de efecto Zeeman. Talanta 51, 373–380 (2000).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wu, J. & Boyle, EA Técnica de preconcentración en blanco bajo para la determinación de plomo, cobre y cadmio en muestras de agua de mar de pequeño volumen mediante dilución de isótopos ICPMS. Anal. Química. 69, 2464–2470 (1997).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Brewer, GJ Toxicidad del cobre en la población general. Clínico. Nneurofisiol. 4, 459–460 (2010).

Artículo de Google Scholar

Bannon, DI & Chisolm, JJ Jr. Voltametría de extracción anódica comparada con espectrofotometría de absorción atómica en horno de grafito para análisis de plomo en sangre. Clínico. Química. 47, 1703-1704 (2001).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Yang, W., Chow, E., Willett, GD, Hibbert, DB y Gooding, JJ Explorando el uso del tripéptido Gly-Gly-His como elemento de reconocimiento selectivo para la fabricación de sensores electroquímicos de cobre. Analista 128, 712–718 (2003).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Baldo, MA, Daniele, S., Ciani, I., Bragato, C. y Wang, J. Análisis de extracción remota de plomo y cobre mediante un microelectrodo de platino recubierto de mercurio. Electroinálisis 16, 360–366 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, H.-W., Jiang, S.-J. y Liu, S.-H. Determinación de cadmio, mercurio y plomo en agua de mar mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por dilución de isótopos de vaporización electrotérmica. Espectroquimia. Acta B: En. Espectrosc. 54, 1367-1375 (1999).

ADS del artículo Google Scholar

Arai, Y., Lanzirotti, A., Sutton, S., Davis, J. & Sparks, D. Especiación y reactividad del arsénico en excrementos de aves de corral. Reinar. Ciencia. Tecnología. 37, 4083–4090 (2003).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Eksperiandova, L., Blank, A. y Makarovskaya, Y. Análisis de aguas residuales mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X. Espectro de rayos X. 31, 259–263 (2002).

Artículo ADS CAS Google Scholar

El-Safty, SA, Ismail, AA y Shahat, A. Respuestas de supermicrosensores ópticos para un reconocimiento simple y una eliminación sensible del objetivo de iones Cu (II). Talanta 83, 1341-1351 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Jeevika, A. y Shankaran, DR Detección colorimétrica visual de iones de cobre basada en nanopartículas de plata funcionalizadas con gelatina reproducibles e hidrogeles de gelatina. Surf de coloides. Una fisicoquímica. Ing. Áspid. 461, 240–247 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, Z., Zhao, W., Hu, C., Guo, D. & Liu, Y. Detección colorimétrica de iones de cobre (II) en solución acuosa basada en el sistema de 3 ′ 3 ′ 5 ′ 5′-tetrametilbencidina y AgNP en presencia de Na2S2O3. J. Ciencia-Avanzada. Madre. Desarrollo. 7, 100420 (2022).

CAS Google Académico

Schreiber, HD, Swink, AM y Godsey, TD El mecanismo químico para la formación de complejos de Al3+ con delfinidina: un modelo para el azulado de los sépalos de hortensias. J. Inorg. Bioquímica. 104, 732–739 (2010).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wu, C. y col. Nuevas películas de glucomanano de konjac con nanocristales de quitina oxidada inmovilizan antocianinas de col lombarda para envasado inteligente de alimentos. Hidrocoll alimentario. 98, 105245 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Shobana, J., Kalaivani, D., Porchezhiyan, V. y Noorjahan, S. Extracto de Syzgium cumini: un sensor colorimétrico natural a simple vista para la detección selectiva y sensible de Fe2+ en medio acuoso. Terreno. Sostener. Desarrollo. 20, 100866 (2023).

Artículo de Google Scholar

de Carmo Brito, Bd. N., de Silva Pena, R., Santos Lopes, A. & Campos Chisté, R. Antocianinas de jambolão (Syzygium cumini): extracción y cambios de color dependientes del pH. J. Food Sci. 82, 2286–2290 (2017).

Artículo PubMed Google Scholar

Klemm, D., Heublein, B., Fink, HP y Bohn, A. Celulosa: biopolímero fascinante y materia prima sostenible. Angélica. Química Internacional. Ed. ingles. 44, 3358–3393 (2005).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Golmohammadi, H., Morales-Narvaez, E., Naghdi, T. & Merkoçi, A. Nanocelulosa en detección y biodetección. Química. Madre. Rev. 29, 5426–5446 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Naghdi, T. y col. Papel de nanofibras de quitina hacia aplicaciones de (bio)detección óptica. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 12, 15538–15552 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rol, F., Belgacem, MN, Gandini, A. y Bras, J. Avances recientes en nanofibrillas de celulosa de superficie modificada. Prog. Polimero. Ciencia. 88, 241–264 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Wu, Z.-Y., Liang, H.-W., Chen, L.-F., Hu, B.-C. y Yu, S.-H. Celulosa bacteriana: una plataforma robusta para el diseño de nanomateriales funcionales tridimensionales a base de carbono. Acc. Química. Res. 49, 96-105 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Römling, U. & Galperin, MY Biosíntesis de celulosa bacteriana: diversidad de operones, subunidades, productos y funciones. Tendencias Microbiol. 23, 545–557 (2015).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Shimizu, Y., Sakakibara, K., Akimoto, S. y Tsujii, Y. ACS Sustainable Chem. Eng. 7, 13351–13358 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hua, J., Liu, C., Ng, PF y Fei, B. Hidrogeles de doble red reforzados con celulosa bacteriana para hebras con memoria de forma. Carbohido. Polimero. 259, 117737 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Fu, Q. y col. Materiales emergentes derivados de la celulosa: una plataforma prometedora para el diseño de sensores portátiles flexibles para el monitoreo de la salud y el medio ambiente. Madre. Química. Frente. 5, 2051-2091 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, X. et al. Preparación y caracterización de películas antioxidantes y sensibles al pH a base de quitosano y extracto de testa de soja negra. Hidrocoll alimentario. 89, 56–66 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Khaodee, W., Aeungmaitrepirom, W. & Tuntulani, T. Detección efectiva y simultánea a simple vista de Cu (II), Pb (II), Al (III) y Fe (III) utilizando cianidina extraída de col lombarda como agente quelante. Spectrochim Acta - A: Mol. Biomol. Espectrosc. 126, 98-104 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ohta, N. Correspondencia entre las diferencias de color CIELAB y CIELUV. Res. color Aplica. 2, 178–182 (1977).

Artículo de Google Scholar

Zhang, X. y col. Desarrollo de películas multifuncionales para envasado de alimentos a base de quitosano, nanopartículas de TiO2 y extracto de cáscara de ciruela negra rico en antocianinas. Hidrocoll alimentario. 94, 80–92 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Alizadeh-Sani, M., Tavassoli, M., McClements, DJ y Hamishehkar, H. Materiales de embalaje halocrómicos multifuncionales: matrices de nanofibras de quitosano / metilcelulosa cargadas con antocianinas de pétalos de azafrán. Hidrocoll alimentario. 111, 106237 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Ezati, P. y Rhim, J.-W. Película a base de quitosano sensible al pH incorporada con alizarina para aplicaciones de envasado inteligente. Hidrocoll alimentario. 102, 105629 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Khattab, TA, Kassem, NF, Adel, AM y Kamel, S. Reconocimiento óptico de amoníaco y vapor de aminas mediante nanopartículas de quitosano fluorescentes "activables" impresas en tiras de celulosa. J. Fluoresc. 29, 693–702 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

El-Naggar, ME, El-Newehy, MH, Aldalbahi, A., Salem, WM y Khattab, TA Inmovilización de extracto de antocianinas de col roja en nanofibras de alcohol polivinílico electrohiladas para la detección selectiva colorimétrica de iones férricos. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 9, 105072 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Abdelrahman, MS, Khattab, TA, Aldalbahi, A., Hatshan, MR y El-Naggar, ME Fácil desarrollo de xerogel de acetato de celulosa microporoso inmovilizado con sonda de hidrazona para la detección vapocrómica en tiempo real de amoníaco tóxico. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 8, 104573 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Li, F. y col. Detección ultrasensible y selectiva de iones de cobre (II) y mercurio (II) mediante sondas SERS basadas en nanopartículas de plata codificadas con tintes. Biosens. Bioelectrón. 39, 82–87 (2013).

Artículo PubMed Google Scholar

Mehta, VN & Kailasa, SK Nanopartículas de oro funcionalizadas con ditiocarbamato de malonamida para la detección colorimétrica de iones Cu2+ y Hg2+. RSC Avanzado. 5, 4245–4255 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Khandaker, S. y col. Bioadsorbente compuesto de hidróxidos dobles en capas funcionalizados para la encapsulación eficiente de iones de cobre (II) de aguas residuales. J. Medio Ambiente. Administrar. 300, 113782 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lee, JH, Han, J.-A. y Lim, S.-T. Efecto del pH sobre la estructura acuosa de almidones de maíz analizados por el sistema HPSEC-MALLS-RI. Hidrocol alimentario. 23, 1935-1939 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

da Silva, HM, Mageste, AB, de Silva, SJB, Ferreira, GMD & Ferreira, GMD Inmovilización de antocianinas en películas de carboximetilcelulosa/almidón: un sensor sostenible para la detección de iones Al (III) en matrices acuosas. Carbohido. polimero. 230, 115679 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Awual, MR Un novedoso adsorbente facial compuesto para mejorar la detección y eliminación de cobre (II) de las aguas residuales. Química. Ing. J. 266, 368–375 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Awual, MR, Hasan, MM, Rahman, MM y Asiri, AM Nuevo material compuesto para la detección y eliminación selectiva de cobre (II) de medios acuosos. J. Mol. Licuado. 283, 772–780 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hasan, MM et al. Material compuesto sostenible a base de ligando modificado para la captura selectiva y efectiva de cadmio (II) de aguas residuales. J. Mol. Licuado. 371, 121125 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Hasan, MN y cols. Evaluación de la adsorción y recuperación sostenible de iones de lutecio (III) utilizando nuevos nanomateriales híbridos compuestos. J. Mol. Estructura. 1276, 134795 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Khandaker, S., Chowdhury, MF, Awual, MR, Islam, A. y Kuba, T. Encapsulación eficiente de cesio a partir de agua contaminada mediante carbón de madera activado a base de biomasa celulósica. Quimiosfera 262, 127801 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Vyas, G. y col. Sensor colorimétrico dual para Cu(II) y tirosina y su aplicación como tiras de papel para detección en agua y saliva humana como muestras reales. Espectroquimia. Acta A Mol. Biomol. Espectrosc. 230, 118052 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Jayawardane, BM, Cattrall, RW y Kolev, SD El uso de una membrana de inclusión de polímero en un sensor de papel para la determinación selectiva de Cu (II). Anal. Chim. Acta 803, 106-112 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kamel, RM, Shahat, A., Atta, AH y Farag-Allah, MM Desarrollo de un sensor químico novedoso y potencial para la detección colorimétrica de Pd(II) o Cu(II) en desechos electrónicos. Microquímica. J. 172, 106951 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Khalil, MM, Shahat, A., Radwan, A. y El-Shahat, M. Determinación colorimétrica de iones Cu (II) en muestras biológicas utilizando una estructura organometálica como andamio. Sens. Actuadores B: Chem. 233, 272–280 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Se extiende un agradecimiento especial a la sucursal Bandar Abbas de la Universidad Islámica Azad por su apoyo financiero.

Departamento de Química, Rama de Bandar Abbas, Universidad Islámica de Azad, Bandar Abbas, 7915893144, Irán

Mehran Minabi-Nezhad, Farid Moeinpour y Fatemeh S. Mohseni-Shahri

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

MM-N.: Curación de datos, Visualización, Investigación, Software. FM: Conceptualización, Metodología, Curación de datos, Redacción: borrador original, Supervisión, Redacción: revisión y edición. Conceptualización, Metodología, Curación de datos, Redacción: borrador original, Supervisión, Redacción: revisión y edición. FSM-S.: Conceptualización, Metodología, Software, Validación, Redacción: revisión y edición.

Correspondencia a Farid Moeinpour.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Minabi-Nezhad, M., Moeinpour, F. y Mohseni-Shahri, FS Desarrollo de un indicador metalocrómico verde para la detección selectiva y visual de iones de cobre (II). Representante científico 13, 12501 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39556-x

Descargar cita

Recibido: 24 de febrero de 2023

Aceptado: 27 de julio de 2023

Publicado: 02 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39556-x

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.