New Analytical Strategies for Heavy Metals Monitoring in Water Samples using Carbon Dots

Abstract

La demanda de nova instrumentació i procediments analítics automatitzats per al monitoratge de contaminants que afecten la qualitat de l'aigua pren una gran importància a causa de les conseqüències per a la salut humana i per al medi ambient que provoca l'ús o el consum d'aigua contaminada. En aquest sentit, els Microsistemes d'Anàlisi Total o dispositius Lab-On-a-Chip han experimentat un notable creixement en els darrers anys a causa de la millora en el transport de massa i energia, la miniaturització, la integració i l'automatització que aquests sistemes són capaços d'aconseguir en comparació als dispositius macroscòpics. A més, s'ha demostrat que l'ús de nanopartícules millora la sensibilitat i els límits de detecció de les mesures analítiques. Aquest treball es basa en l'ús de Punts de Carboni (CDs, per les sigles en anglès) com a sensors òptics i electroquímics per a la determinació de metalls pesants en aigua. Recentment, els CDs han atret una gran atenció per les seves excel·lents propietats luminescents, la facilitat de preparació, el baix cost i la bona conductivitat elèctrica respecte a altres nanomaterials. Aquestes propietats fan que els CDs siguin adequats per a una àmplia gamma d'aplicacions, com la (bio)detecció, la bioimatge, la nanomedicina o la catàlisi. En aquesta tesi, s'han desenvolupat dos mètodes diferents per la determinació de metalls pesants utilitzant CDs. En el primer, els CDs s'utilitzen com a sensors òptics i la determinació d'ions de metalls pesants es basa en el seu efecte d'atenuació sobre la fluorescència dels CDs. En el segon, els CDs s'utilitzen per modificar Elèctrodes de Carboni Serigrafiats (SPCEs, per les sigles en anglès) per determinar ions Cd2+ mitjançant voltamperometria per redissolució. Cronològicament, es va desenvolupar un equip automatitzat basat en un protocol d'anàlisi per injecció en flux revers, que conté una plataforma microfluídica de Copolímer d'Olefina Cíclica que s'insereix en un sistema miniaturitzat de detecció òptica per monitoritzar metalls pesants utilitzant els CDs com a sensors òptics. Es van sintetitzar en discontinu (batch) diferents tipus de CDs utilitzant diversos mètodes i es van poder determinar selectivament cinc ions de metalls pesants (Co2+, Cu2+, Hg2+, Ni2+ i Pb2+). Es va aplicar la tecnologia de microreactors per augmentar l'eficiència, la reproductibilitat i la homogeneïtat en la síntesi dels CDs. Es van fabricar i utilitzar microreactors de Ceràmica de Cocció a Baixa Temperatura per a la síntesi dels CDs prèviament sintetitzats en batch, el que permet realitzar les síntesis de forma automàtica i tenir un millor control dels paràmetres de síntesi. Alguns dels mètodes sintètics van ser adaptats i optimitzats per ser realitzats als microreactors i quatre dels cinc ions de metalls pesants prèviament determinats (Co2+, Cu2+, Hg2+ i Pb2+) també es van poder determinar selectivament amb aquests CDs. Els nanomaterials obtinguts es van utilitzar com a sensors òptics en l'equip automatitzat prèviament desenvolupat. Finalment, es va dissenyar, construir, i avaluar un sistema integrat que inclou la síntesi directa de CDs utilitzant un microreactor per demostrar l'aplicabilitat del sistema per al monitoratge in situ de metalls pesants en aigua. Es van sintetitzar un tipus de CDs i es van utilitzar directament per a la determinació selectiva de Co2+ al sistema de detecció òptica. Es van analitzar mostres reals d'aigua, obtenint-se bons resultats en termes d'exactitud i precisió demostrant el potencial del sistema desenvolupat per al control in situ de metalls pesants en aigua. En l'última part del treball, es va estudiar l'efecte de la modificació de SPCEs amb CDs i nanotubs de carboni per la determinació d'ions Cd2+ mitjançant voltamperometria per redissolució. Es va aconseguir determinar selectivament ions Cd2+ amb un límit de detecció per sota del límit establert per a l'aigua potable.

La demanda de nueva instrumentación y procedimientos analíticos automatizados para la monitorización continua de contaminantes que afectan a la calidad del agua adquiere especial importancia debido a las consecuencias para la salud humana y para el medio ambiente que provoca el uso o consumo de agua contaminada. En este sentido, los Microsistemas de Análisis Total o dispositivos Lab-On-a-Chip han experimentado un notable crecimiento en los últimos años debido a la mejora en el transporte de masa y energía, la miniaturización, la integración y la automatización que estos sistemas son capaces de lograr frente a los dispositivos macroscópicos. Además, se ha demostrado que el uso de nanopartículas mejora la sensibilidad y los límites de detección en las medidas analíticas. Este trabajo se centra en el uso de Puntos de Carbono (CDs, por sus siglas en inglés) como sensores ópticos y electroquímicos para la determinación de metales pesados en agua. Los CDs muestran excelentes propiedades luminiscentes, facilidad de preparación, bajo coste y buena conductividad eléctrica en comparación con otros nanomateriales. Estas propiedades hacen que sean adecuados para una amplia gama de aplicaciones, como la (bio)detección, la bioimagen, la nanomedicina, o la catálisis. En esta tesis, se han desarrollado dos métodos diferentes para la determinación de metales pesados usando CDs. En el primero, los CDs se utilizan como sensores ópticos y la determinación de iones de metales pesados se basa en su efecto de atenuación sobre la fluorescencia de los CDs. En el segundo, los CDs se usan para modificar Electrodos de Carbono Serigrafiados (SPCEs, por sus siglas en inglés) para determinar iones Cd2+ mediante voltamperometría de redisolución. Cronológicamente, se desarrolló un equipo automatizado basado en un protocolo de análisis de inyección en flujo reverso, que contiene una plataforma microfluídica de Copolímero de Olefina Cíclica que se inserta en un sistema miniaturizado de detección óptica para monitorizar metales pesados usando CDs como sensores ópticos. Se sintetizaron en discontinuo (batch) diferentes tipos de CDs utilizando varios métodos hidrotermales y asistidos por microondas y se pudieron determinar selectivamente cinco iones de metales pesados (Co2+, Cu2+, Hg2+, Ni2+ y Pb2+). Se aplicó la tecnología de microreactores para aumentar la eficiencia, la reproducibilidad y la homogeneidad en la síntesis de CDs. Por este motivo, se fabricaron y utilizaron microreactores de Cerámica de Cocción a Baja Temperatura para la síntesis de los CDs previamente sintetizados en batch, lo que permite realizar las síntesis de forma automática y tener un mejor control de los parámetros de síntesis. Algunos de los métodos sintéticos fueron adaptados y optimizados para ser realizados en los microreactores y cuatro de los cinco iones de metales pesados previamente determinados (Co2+, Cu2+, Hg2+ y Pb2+) también pudieron determinarse selectivamente con estos CDs. Los nanomateriales obtenidos, se utilizaron como sensores ópticos en el equipo automatizado previamente desarrollado. Finalmente, se diseñó, fabricó y evaluó un sistema integrado que incluye la síntesis directa de CDs usando un microreactor para demostrar la aplicabilidad del equipo para la monitorización in situ de metales pesados en agua. Se sintetizó un tipo de CDs y se utilizó directamente para la determinación selectiva de Co2+ en el sistema de detección óptica. Se analizaron muestras reales de agua, obteniéndose buenos resultados en términos de exactitud y precisión demostrando el potencial del sistema desarrollado para el control in situ de metales pesados en agua. En la última parte del trabajo, se estudió el efecto de la modificación de SPCEs con CDs y nanotubos de carbono para la determinación de iones Cd2+ mediante voltamperometría de redisolución. Se consiguió determinar selectivamente iones Cd2+ con un límite de detección por debajo del límite establecido para agua potable.

The increasing demand for new automated analytical instrumentation and procedures for the continuous monitoring of different pollutants affecting water quality acquires special importance due to the consequences for human health and for the environment that the use or consumption of contaminated water causes. In this sense, micro-Total Analysis Systems or Lab-On-a-Chip devices have experienced a notable development in recent years owing to the enhanced mass and energy transport, miniaturization, integration, and automation that these systems are capable to achieve over macroscopic systems. All these features open the door to performing on-site measurements. Furthermore, the use of nanoparticles has demonstrated to improve sensitivity and limits of detection (LODs) in analytical measurements. Taking this context into account, this work is focused on the use of Carbon Dots (CDs) as optical and electrochemical probes for the rapid determination of heavy metals in water. CDs have recently drawn great attention from the scientific community due to their excellent luminescent properties, high biocompatibility, ease of preparation, low cost, and high electrical conductivity, compared to other nanomaterials. These properties make CDs suitable for a wide range of applications, such as (bio)sensing, bioimaging, nanomedicine, and catalysis. In this thesis, two different approaches for heavy metals determination employing CDs have been developed. In the first one, CDs are employed as optical probes and the determination of heavy metal ions is based on its quenching effect on the fluorescence of the CDs. In the second one, CDs have been used to modify Screen-Printed Carbon Electrodes (SPCEs) to determine Cd2+ ions by stripping voltammetry. Chronologically, an automated equipment based on a reverse Flow Injection Analysis protocol, that included a Cyclic Olefin Copolymer (COC) microfluidic platform, and a customized miniaturized optical detection system was developed to monitor heavy metals with CDs as optical probes. Different types of CDs were synthesized in batch using several hydrothermal and microwave-assisted methods and five heavy metal ions (Co2+, Cu2+, Hg2+, Ni2+, and Pb2+) could be selectively determined using the developed experimental setup. In order to improve reproducibility and reliability, microreactor technology was applied for the efficient synthesis of homogeneous and reproducible CDs. Therefore, Low Temperature Co-Fired Ceramics (LTCC) microreactors were fabricated and used for the synthesis of the CDs previously synthesized in batch. The syntheses were performed automatically with better control of the synthetic parameters. Some of the synthetic methods were adapted and optimized to be performed in the microreactors and four of the five heavy metal ions previously determined (Co2+, Cu2+, Hg2+, and Pb2+) could be also selectively determined. The obtained nanomaterials were used as optical probes in the previously developed automatic equipment. The LODs obtained for three of the four heavy metal ions were below the limits set for drinking water, while in the case of Hg2+, it was slightly higher. Finally, to demonstrate the applicability of the analytical equipment for on-site monitoring of heavy metals in water, an integrated system including the direct synthesis of the optical probes by means of a microreactor was designed, fabricated, and evaluated. To validate the proposal, one type of CDs was synthesized and directly used for the selective determination of Co2+ in the customized miniaturized optical detection system. Real water samples were analyzed obtaining good results in terms of accuracy and precision demonstrating the potential of the developed system for on-site monitoring of heavy metals in water. In the final part of the work, the effect of modifying SPCEs with CDs and carbon nanotubes to determine Cd2+ ions by stripping voltammetry was tested. The methodology established allowed the selective determination of Cd2+ ions with a LOD below the limit set for drinking water.