Determination of free metal ion concentrations with the speciation techniques agnes and DMT

Abstract

Des de fa molts anys, els metalls pesants s’han associat amb la contaminació i la toxicitat. Els podem trobar en el medi sota diferents formes químiques, però la comunitat científica coincideix en què els efectes tòxics que provoquen bàsicament depenen de la seva concentració lliure. Per això és important disposar de les tècniques adequades per quantificar-los. Aquesta tesi està centrada en la determinació de la concentració de metall lliure en mostres sintètiques i naturals mitjançant les tècniques analítiques d’AGNES (Absence of Gradients and Nernstian Equilibrium Stripping) i DMT (Donnan Membrane Technique).

En la primera part d’aquest treball, s’ha estudiat el possible impacte en la tècnica electroanalítica AGNES degut a l’adsorció electròdica a través de diferents sistemes (Pb-taronja de xilenol, Cd- àcid poliacrílic i Cd-iodur entre d’altres). S’ha pogut confirmar que quan s’arriba a la situació especial d’equilibri d’AGNES al final de la primera etapa, l’existència d’altres processos d’equilibri (com l’adsorció) no afecta el senyal analític en cap de les variants d’AGNES. També, pels sistemes estudiats, els temps necessaris per arribar a l’estat d’equilibri no es veuen augmentats.

En la segona part, AGNES s’ha aplicat a l’estudi del sistema Zn-glutatió, primer en mostres sintètiques i després en extractes de l’arrel de la planta Hordeum Vulgare, considerant diferents models de complexació. En la determinació en mostres sintètiques, s’ha vist que els resultats teòrics de dos dels models coincideixen amb les determinacions d’AGNES. En el cas de les arrels, la concentració lliure de Zn determinada experimentalment ha estat bastant inferior que la predita teòricament, suggerint per tant la presència d’altres lligands (com altres fitoquelatines) apart del glutatió.

En la tercera part, s’ha estudiat la especiació inorgànica en el vi amb les tècniques AGNES i DMT. Les concentracions de metall lliure determinades en les mostres sintètiques de vi han sigut consistents amb les prediccions teòriques, però el temps necessari per arribar a l’equilibri DMT s’ha vist augmentat. En treballar amb les mostres de vi reals, aquest temps s’incrementa encara més. Pel que fa a la concentració lliure de Zn, els resultats obtinguts amb DMT, utilitzant K i Na com a ions de referència, (1.76 µmol L-1) coincideixen amb els corresponents obtinguts amb AGNES (1.7 µmol L-1). La tècnica DMT s’ha utilitzat també per determinar les concentracions de Fe, Mg i Ca.

Desde hace años, los metales pesados se han asociado con la contaminación y la toxicidad. Los podemos encontrar en el medio bajo distintas formas químicas, pero la comunidad científica coincide en que los efectos tóxicos que provocan básicamente dependen de su concentración libre. Por ello es importante disponer de las técnicas adecuadas para cuantificarlos. Esta tesis está enfocada en la determinación de la concentración de metal libre en muestras sintéticas y naturales mediante las técnicas analíticas AGNES (Absence of Gradients and Nernstian Equilibrium Stripping) y DMT (Donnan Membrane Technique).

En la primera parte de este trabajo, se ha estudiado el posible impacto en la técnica electroanalítica AGNES debido a la adsorción electródica mediante diversos sistemas (Pb-naranja de xilenol, Cd-ácido poliacrílico y Cd-yoduro entre otros). Se ha confirmado que cuando se llega a la situación especial de equilibrio de AGNES al final de la primera etapa, la existencia de otros procesos de equilibrio (como la adsorción) no afecta a la señal analítica en ninguna de las variantes de AGNES. También para estos sistemas estudiados, el tiempo necesario para llegar al estado de equilibrio no se ve aumentado.

En la segunda parte, AGNES se aplica al estudio del sistema Zn-glutatión, primero en muestras sintéticas y después en extractos de la raíz de la planta Hordeum Vulgare, considerando diferentes modelos de complejación. En la determinación en muestras sintéticas, se ha visto que los resultados teóricos de dos de los modelos coinciden con las determinaciones de AGNES. En el caso de las raíces, la concentración libre de Zn determinada experimentalmente ha sido bastante inferior a la predicha teóricamente, sugiriendo por tanto la presencia de otros ligandos (como otras fitoquelatinas) además del glutatión.

En la tercera parte, se ha estudiado la especiación inorgánica en el vino con las técnicas AGNES y DMT. Las concentraciones de metal libre determinadas en las muestras de vino sintético han sido consistentes con las predicciones teóricas, pero el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio DMT se ve aumentado. Al trabajar con las muestras de vino real, este tiempo todavía se incrementa más. En relación a la concentración libre de Zn, los resultados obtenidos con DMT, utilizando K y Na como iones de referencia, (1.76 µmol L-1) coinciden con los correspondientes obtenidos con AGNES (1.7 µmol L-1). La técnica DMT también se ha utilizado para determinar las concentraciones de Fe, Mg y Ca.

Since many years ago, heavy metals have been associated with contamination and potential toxicity. They can be found in the environment in different chemical forms, but the scientific community agrees that their toxic effects are usually dependent on the concentrations of their free form. So, proper techniques to quantify them are required. This thesis focuses on the determination of free metal concentrations in synthetic or natural samples using the analytical techniques AGNES (Absence of Gradients and Nernstian Equilibrium Stripping) and DMT (Donnan Membrane Technique).

In the first part of this work, a possible impact from electrodic adsorption on the electroanalytical technique AGNES has been evaluated through several systems with induced adsorption (Pb-Xylenol Orange, Cd- Polyacrilic Acid and Cd-Iodide among others). It has been confirmed that, when the special AGNES equilibrium situation at the end of the first stage is reached, the existence of other equilibria processes (such as adsorption) does not disturb the analytical signal in any of the AGNES variants. Also, for the assayed systems, the required time to reach the equilibrium state did not need to be extended.

In the second part, AGNES has been applied to study the system Zn-Glutathione, first in synthetic samples and later on in root extracts of Hordeum Vulgare, considering different complexation models. In the synthetic samples determination, it has been checked that the theoretical results of two of the models agree with AGNES determinations. With the root extracts, the experimentally determined free Zn concentration was much lower than the predicted one, suggesting the presence of other ligands (such as other phytochelatins) apart from Glutathione.

In the third part, the inorganic speciation in wine was studied with AGNES and with the non-electroanalytical technique DMT. Determinations of free metal ion concentrations in synthetic wine were consistent with the predicted ones, but the required time to reach equilibrium with DMT was longer. When working with real wine, it required even longer times. For free Zn concentration, DMT results, using K and Na as reference ions, (1.76 µmol L-1) agreed with the corresponding ones using AGNES (1.7 µmol L-1). The DMT technique has also be used to determine the metal concentrations of Fe, Mg and Ca.