Title

Estudio electroquímico de la melatonina sobre electrodos de carbono para su cuantificación

Author

ALEJANDRINA ZAFRA ROLDAN

Contributor

Silvia Corona (Thesis Adviser)

Maria Teresa Ramirez-Silva (Thesis Adviser)

Access level

Open Access

Summary or description

214 páginas. Doctorado en Ciencias e Ingeniería de Materiales.

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México).

En este trabajo se presenta el estudio del comportamiento espectrofotométrico y electroquímico de la melatonina MT, la cual es una importante neurohormona para el organismo humano y cuya deficiencia interfiere principalmente con el sueño, provocando padecimientos como ansiedad, depresión y enfermedades neurodegenerativas; una alternativa ideal para su determinación es el uso de las técnicas electroquímicas, debido a su rapidez en la adquisición de datos, su bajo costo y fácil manejo, es por ello que en este trabajo se construyó un electrodo de pasta de carbono, EPC, modificado con nanopartículas de oro sintetizadas con B-ciclodextrina, NPsAu .B CD. Para tal fin, se inició con una caracterización espectrofotométrica de la melatonina, en la que se llevaron a cabo estudios de estabilidad, a partir de los cuales se establecieron las condiciones de trabajo; mediante esta misma técnica y utilizando el programa computacional Stability quotients from absorbance data, SQUAD, se obtuvieron los valores de las constantes de acidez 5.772+ 0.011 y 10.201 + 0.024, con los cuales fue posible establecer el pH de estudio. Dado que la B-ciclodextrina, BCD, tiene la capacidad de formar complejos de inclusión con diversas moléculas, una vez establecidas las condiciones de trabajo y el pH de estudio, se analizaron las interacciones entre la MT y BCD, en donde se comprobó la formación del complejo de inclusión entre estas moléculas y se calculó su constante de formación, mediante espectrofotometría UV-Vis y voltamperometría cíclica, VC, obteniendo valores de log B1 = (3.07 + 0.06) M-1 y B1= (3.15 + 0.01) M-1, respectivamente. Confirmada la formación del complejo, se prosiguió con la construcción de los EPC, modificando su superficie con nanopartículas de oro, NPsAu, así como con BCD y NPsAu.BCD por 10-4 electropolimerización. Posteriormente, se realizó la caracterización de los electrodos, mediante VC, de los cuales se obtuvieron los valores de la capacitancia 0.019 X 10-4 F, 4.428 X 10-4 F y 7.658 X 10-4 F del EPC sin modificar, modificado con BCD y NPsAu.BCD, respectivamente; los cuales se corroboraron utilizando la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica, EIE, dando valores de 0.010 X 10-4 F, 2.088 X 10-4 F y 5.098 X 10-4 F, respectivamente. Estos resultados indican que el área expuesta para el EPC modificado con /NPsAu.BCD es mayor, como se pudo 3-/ corroborar mediante estudios de VC en donde se varió la velocidad de barrido de potencial en un sistema [Fe(CN)6] 3-/[Fe(CN)6]4-, obteniendo valores del área electroactiva, A0, de 0.1385 cm2, 0.2452 cm2 y 0.2522 cm2, para EPC, EPC- BCD y EPC-NPsAu.BCD respectivamente. En este sentido, se caracterizó la polimerización de las NPsAu.BCD bajo la influencia de diferentes factores; encontrando que el proceso de adsorción y crecimiento del polímero sobre un EPC, se favorece al aumentar el número de ciclos aplicados, el potencial de inversión y la concentración de H+; comportamiento similar al de la BCD sin NPsAu. Caracterizados los distintos electrodos, se continuó con el estudio del comportamiento electroquímico de la MT mediante VC, donde los resultados mostraron que el mecanismo redox de la MT es electroquímico-químico-electroquímico, EQE, que el proceso de oxidación de la MT está controlado por la difusión y no se ve afectado por la posible formación de subproductos. Mediante las técnicas de voltamperometría de corriente muestreada y diferencial de pulso, se calculó el número de electrones involucrados en el proceso de oxidación de la MT,n=1. Empleando las técnicas de voltamperometría cíclica y cronoamperometría en estado estacionario, se estimó el coeficiente de difusión, D, obteniendo valores de (4.5437 + 0.2159) X 10-5 cm2 S-1 y (4.6452 + 0.2135) X 10-5 cm2 S-1, respectivamente. Valore, que se corroboraron mediante la técnica de voltamperometría lineal de disco rotatoria en condiciones de convección forzada, VL-DR, en donde se estimó un D de (5.4193 + 0.2634) X 10-5 cm2 S-1. Para analizar la influencia de las NPsAu, BCD y NPsAu.BCD al usarse en la modificación del EPC, sobre el comportamiento electroquímico de la MT, se realizaron diversos estudios mediante VC, en donde se varió la velocidad de barrido. Los resultados mostraron, un incremento en la corriente de la señal correspondiente a la oxidación de la MT 3 y 5 veces mayor al modificar el EPC con 15 y 25 ciclos de BCD, respectivamente; mientras que el aumento es 7 y 13 veces mayor al modificar el EPC con 15 y 25 de NPsAu.BCD, respectivamente; mejorando la sensibilidad del electrodo hacia la MT. El pico correspondiente a la señal de oxidación de la MT se presenta a potenciales menores y con una mayor definición cuando se usa un EPC modificado, favoreciendo la reacción e incrementando la selectividad del electrodo. La modificación del EPC con 15 y 25 ciclos de BCD o NPsAu.BCD, ocasiona que el proceso de oxidación de la MT controlado por la difusión, sea un proceso mixto; comportamiento que se atribuyó a la formación del complejo de inclusión entre la MT y la BCD. Habiendo estudiado el comportamiento químico y electroquímico de la MT, se prosiguió a la obtención de un método para su determinación cuantitativa. Mediante las técnicas de voltamperométricas cíclica y diferencial de pulso, fue posible construir diferentes curvas de calibración, donde la sensibilidad tiene la siguiente tendencia de acuerdo al electrodo empleado: EPC < EPC-BCD < EPC-NPsAu.BCD. Los resultados mostraron que los métodos electroquímicos son una buena alternativa en la determinación de la MT. Finalmente, se estudió el comportamiento de electroquímico de la MT en presencia de la Lavodopa, LD, otro importante neurotransmisor esencial para la síntesis de diversos neurotransmisores. Ambos neurotransmisores, coexisten en el mismo sistema biológico y su producción está íntimamente ligadas. Al usar un EPC se encontró que las señales se traslapan; sin embargo, al modificar el electrodo con BCD se lograron separar estas.

This work presents the results obtained from the spectrophotometric and electrochemical study of the behavior of melatonin, MT, that is an important neurohormone for human organism, the deficiency of which interferes mainly with sleep, provoking mental health conditions like anxiety and depression, and neurodegenerative illnesses. The electrochemical methods are presently known to be the more adequate alternative to quantify the neurohormone, because of features like: inherent rapid data acquisition, setting up and working with facility, added to appreciable reproducibility and repeteability, and relatively low operating costs. Therefore, in this work a carbon paste electrode was manufactured, EPC, modified with gold nanoparticles synthesized with B-cyclodextrin, NPsAu.BCD. Therefore, the spectrophotometric melatonin characterization marked the initial relevant methodology step, that led to understanding the stability of the solutions from which the subsequent working conditions would follow. As relevant outcome, the use of Stability quotients from absorbance data, SQUAD, software allowed obtaining the values of the melatonin acidity constants, that were: 5.772 + 0.011 and 10.201 + 0.024. These served to establish the studies pH. Since the β-cyclodextrin, BCD, exhibits the capacity to form inclusion complexes with diverse molecules. Once the working conditions had been established together with the studies pH, the MT and BCD interactions were investigated, from which it was found out that formation of the complex between these two molecules had a formation constant that was determined through UV-Vis spectrophotometry and cyclic voltammetry, CV, that rendered the follwing: log B1 = (3.07 +0.06) M-1 and B1= (3.15 + 0.01) M-1, respectively. Once the complex formation was verified, it followed the manufacture of the carbon paste electrode, along with its surface modification with gold nanoparticles, AuNPs, and with BCD plus NPsAu.BCD through electropolymerization. After, the electrodes were characterized by means of CV, from which the following capacitance values were obtained: 0.019 X 10-4F, 4.428 X 10-4F and 7.658 X 10-4F of the EPCs as: unmodified, modified with BCD and modified with NPsAu.BCD, respectively. These values were corroborated through electrochemical impedance spectroscopy, EIS, that gave the following 0.010 X 10-4F, 2.088 X 10-4F and 5.098 X 10-4F, values respectively. These results suggest that the NPsAu.BCD-modified CPE exposed area was larger, as corroborated by means of CV studies where the potential scan rate varied in the [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4− system, that led to assessments of the electroactive area, A0, of 0.1385 cm2, 0.2452 cm2 and 0.2522 cm2, for CPE, CPE-BCD and CPE-NPsAu.BCD, respectively. In this respect, polymerization with the NPsAu.BCD under the influence of various factors was characterized, whereby the adsorption and growth processes of the polymer over a CPE was favored by an increasing number of applied cycles, the inversion potential and pH; this a behavior is similar to that of the BCD without NPsAu. Subsequent to characterization of the different electrodes, the characterization of MT through CV, allowed establishing that its redox mechanism was of the electrochemical-chemical-electrochemical type, ECE, and that the MT oxidation process is diffusion-controlled, not being affected by formation of possible byproducts. The number of electrons involved during the MT oxidation process was assessed from the results of sampled current and differential pulse voltammetries, n = 1. The diffusion coefficient, D, was estimated through CV and steady state chronoamperometry as (4.5437 ± 0.2159) x 10-5 cm2s-1 and (4.6452 + 0.2135) X 10−5 cm2s-1, respectively, which were corroborated through rotating disk linear voltammetry, RD-LV, under forced convection, that allowed an estimation of D = (5.4193 + 0.2634) x 10-5 cm2s-1. In order to find out about the influence of the NPsAu, BCD and NPsAu.BCD as CPE modifiers when focusing on the MT electrochemical behavior, the CV studies were carried out as a function of the potential scan rate. The results showed an MT oxidation current increased three to five times after modifying the CPE with 15 and 25 BCD cycles, respectively, whereas such an increase was 7 to 13 times larger after modifying the CPE with the same, 15 and 25 NPsAu.BCD cycles, respectively; this implies a significant electrode sensitivity improvement toward MT. The CPE modification allowed better shape definition of a MT oxidation peak that shifted to smaller potentials, this is, the reaction was favored and so it was the electrode selectivity. The CPE modification with 15 and 25 BCD or NPsAu.BCD cycles provokes that the diffusion-controlled MT oxidation process after either modification becomes a mixed process, which was attributed to formation of an inclusion complex between the MT and the BCD. Now, after studying the chemical and electrochemical MT behavior, it was relevant to proceed to its quantitative determination. CV and DPV allowed recording the calibration plots, where the sensitivity trend is associated to modification of the electrodes as follows: CPE < CPE-BCD < CPE-NPsAu.BCD. The results proved that the electrochemical methods are a reliable inexpensive alternative to determine MT. Lastly, the electrochemical behavior of MT in the presence of Levodopa, LD, another important neurotransmitter essential for the synthesis of other. Both MT and LD coexist in the same biological system and their production are intimately associated. When using a CPE the signals from both overlap, however, after modification of the electrode with BCD the signals had become separated.

Publisher

Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información.

Publish date

April, 2018

Publication type

Doctoral thesis

Information Resource

Format

application/pdf

Language

Spanish

Audience

Students

Researchers

Source repository

Repositorio Institucional Zaloamati

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