Resumen

Las nanopartículas son muy recurrentes en la actualidad por sus múltiples aplicaciones en la ciencia. Esta investigación se centra tanto en sus aplicaciones en la Química Verde, ya que gracias a sus propiedades y su tamaño pueden alterar las características de otras sustancias desde dentro ayudando a mejorar el medioambiente; como en la industria alimentaria, ya que múltiples empresas utilizan nanopartículas de plata para mejorar la conservación de sus alimentos por sus propiedades antibacterianas. En este trabajo se sintetizan y caracterizan varios tipos de nanopartículas, se recogen y analizan algunas muestras de agua de Murcia y se comprueba si algunas de las nanopartículas sintetizadas retiran algunos de los iones que contienen, se comprueba si la medida de la conductividad sirve para el estudio de la adsorción de iones por las nanopartículas, se utilizan nanopartículas de plata para analizar su capacidad como bactericida en los alimentos y se estudia la transferencia de plata a los alimentos. Como conclusión, se sintetizaron las nanopartículas y caracterizaron por vía óptica, es difícil comprobar la adsorción de iones metálicos con los medios disponibles en muestras de agua reales, pero en muestras preparadas es posible con tiras reactivas. La medida de la conductividad no sirve para estudiar la adsorción. Las nanopartículas de ferrita extraen Fe³⁺ y Pb²⁺. Las nanopartículas de plata favorecen a la conservación de los alimentos. No hay transferencia de Ag⁺ a los alimentos.

Índice

1. Introducción
2. Objetivos
3. Metodología
   • 3.1 Síntesis de nanopartículas
   • 3.2 Caracterización de nanopartículas
   • 3.3 Recogida y análisis de muestras de agua
   • 3.4 Conductividad
   • 3.5 Análisis de la conservación de alimentos con y sin nanopartículas de plata
   • 3.6 Análisis de la posible transferencia de nanopartículas a los alimentos
4. Resultados
   • 4.1 Síntesis de nanopartículas
   • 4.2 Caracterización de nanopartículas
   • 4.3 Análisis de las muestras de agua recogidas
   • 4.4 Análisis de AgNPs como agente bactericida
5. Conclusiones
6. Referencias bibliográficas

1. Introducción

La nanociencia y la nanotecnología son disciplinas en la frontera del conocimiento. Es el estudio de los procesos fundamentales que ocurren en estructuras de 0,1 a 100 nanómetros. Combinan conocimientos de las diferentes ciencias fundamentales y aplicadas en los temas que trata. El dominio de la materia en la nano escala nos permite diseñar y fabricar nuevos materiales hasta ahora inexistentes, descubrir propiedades nunca observadas, inventar dispositivos, ¿hasta dónde podremos llegar? Puede provocar fascinación y miedo a la vez.

En esta investigación nos hemos centrado, sobre todo, en sus aplicaciones en la Química Verde, ya que, gracias a sus propiedades y su tamaño, pueden alterar las características de otras sustancias desde dentro, ayudando a mejorar el medioambiente. También se le ha dado otro enfoque relacionado con la industria alimentaria. Algunas empresas utilizan las nanopartículas de plata para mejorar la conservación de sus alimentos, gracias a las propiedades antibacterianas de la plata.

2. Objetivos

Se plantean dos hipótesis con sus respectivos objetivos.

La primera hipótesis es: "Las nanopartículas de ferrita atrapan iones metálicos del agua y nos permiten retirarlos posteriormente, mediante procedimientos y técnicas asequibles en un laboratorio de un Centro de Secundaria", y sus objetivos son:

• Sintetizar y aislar nanopartículas de ferrita y, si es posible, algún otro tipo como nanopartículas de plata o grafeno.
• Analizar y estudiar una serie de muestras de agua, procedentes de distintos puntos de la Región de Murcia, antes y después de introducir nanopartículas de ferrita para comprobar la eficacia de estas en la adsorción y, por lo tanto, retirada de iones presentes en una disolución.
• Comprobar si la conductividad es útil como indicador de la retirada de iones metálicos presentes en una muestra de agua mediante nanopartículas.

Por otro lado, la segunda hipótesis es: "Las nanopartículas de plata sirven como conservantes de alimentos, pero se transfieren a estos", y sus objetivos son:

• Sintetizar nuestras propias nanopartículas de plata.
• Comparar la conservación de una selección de frutas y verduras con nanopartículas de plata y sin ellas.
• Comprobar si se produce la transferencia de las nanopartículas de plata en los alimentos tras el lavado recomendado antes de su consumo

3. Metodología

3.1. Síntesis de nanopartículas

Se eligió una selección de diferentes tipos de nanopartículas (NPs), porque su síntesis es sencilla y de bajo coste, son compatibles con el medio ambiente, tienen propiedades magnéticas y hay interacciones entre iones y nanopartículas.

Los materiales e instrumentos necesarios son asequibles en un laboratorio de un Centro de Enseñanza Secundaria y son: frasco lavador, agitador magnético e imán, vaso de precipitados, máquina de ultrasonidos, centrifugadora, tubos de ensayo, micropipeta, placa calefactora, pipetas e imán de neodimio. El procedimiento seguido en las nanopartículas sintetizadas se muestra en la tabla siguiente.

3.2. Caracterización de nanopartículas

Para comprobar si una disolución contiene nanopartículas o no, se puede realizar de forma cualitativa mediante una caracterización óptica, utilizando un puntero láser. Se basa en el efecto de dispersión de Rayleigh. Si el tamaño de partícula es nanométrico, se produce dispersión de la luz, y si el tamaño es mayor, no se produce.

3.3. Recogida y análisis de muestras de agua

Se recogieron muestras de agua de distintos puntos de la Región de Murcia y, posteriormente, se analizaron con tiras reactivas, por ser una herramienta analítica sencilla, eficaz y de bajo coste que se utiliza para la detección rápida de un analito en el campo o in situ. Nos proporcionan la concentración de: cloro libre, Fe³⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, NO^3-, NO^2-, Hg²⁺, cloro total, F^-, dureza total, CO³⁼, alcalinidad total, pH y ácido cianúrico expresado en mg/l. Lo ideal sería realizar análisis cuantitativo por espectrofotometría.

Se realiza el análisis en las muestras de agua antes y después de adicionar nanopartículas de ferrita y ser retiradas de la disolución para comprobar si podemos retirar iones metálicos siguiendo los principios de la Química Verde.

3.4. Conductividad

Se mide la conductividad de las muestras de agua antes, después de adicionar nanopartículas y tras su retirada de la disolución, para analizar si es posible utilizar este parámetro en el estudio de la adsorción de iones por parte de las nanopartículas. Se eligen 6 muestras de agua y también se preparan disoluciones de sales metálicas de concentraciones conocidas.

3.5. Análisis de la conservación de alimentos con y sin nanopartículas de plata

Se seleccionaron 11 alimentos diferentes: col, col lombarda, acelga, espinaca, perejil, cebolla rábano, champiñón, pera, mandarina y plátano. Cada uno de ellos se divide en 4 muestras de igual masa para comparar su estado de conservación. Dos de las muestras permanecen a temperatura ambiente, una con nanopartículas y otra sin, en el interior de una caja cerrada; las otras dos se introducen en el frigorífico, una de ellas con nanopartículas y la otra sin ellas. Cada muestra estaba en una bolsa de plástico con cierre hermético y cerrada con la menor cantidad de aire posible. Se comparó su conservación durante 21 días.

3.6. Análisis de la posible transferencia de nanopartículas a los alimentos

Se seleccionan tres marcas comerciales alimenticias de las que no se conoce que utilicen las nanopartículas de plata en sus productos para su conservación y una que sí las utiliza. Se pesan dos cantidades iguales de cada una de las marcas. Una de ellas, se lava antes de triturarla para simular el lavado recomendado antes de su consumición y se trituran con batidora. Después, se sumerge la tira reactiva para análisis de Ag⁺.

4. Resultados

4.1. Síntesis de nanopartículas

4.2. Caracterización de nanopartículas

Se ha utilizado un puntero láser y se puede observar que, en todas las disoluciones en las que se encuentran las nanopartículas sintetizadas, se produce dispersión Rayleigh, mientras que, en las disoluciones 0,1 M de sales de CuSO₄, AgNO₃ y KCl, no se produce tal dispersión.

4.3. Análisis de las muestras de agua recogidas

Se han recogido y analizado con las tiras reactivas 35 muestras de agua de diferentes puntos de la Región de Murcia. Destacan dos de las muestras, porque presentan, inicialmente, más de 50 ppb de Pb²⁺, 2 mg/l de Cu²⁺ y 5 mg/l de Fe³⁺.

Tras la adición de nanopartículas de ferrita a las muestras de agua, agitación y retirada de las mismas, se realiza un nuevo análisis mediante tiras reactivas siendo los resultados obtenidos similares a los iniciales. Se repite esta prueba con disoluciones preparadas que contengan mayor cantidad de iones metálicos, al menos, dentro del rango de medida de las tiras reactivas disponibles. Se preparan tres disoluciones que contienen 250 mg/l de los iones Pb²⁺ y Fe³⁺. Se puede observar que, en esta ocasión, se produce la retirada total de iones Fe³⁺. En la disolución que contiene Pb²⁺, se observa una disminución en la cantidad de iones presente, pero no se elimina completamente.

Se mide la conductividad de 6 muestras recogidas y de varias muestras preparadas de sales metálicas de concentración conocida. En general, se observa que aumenta la conductividad al adicionar nanopartículas y, tras su retirada, disminuye la conductividad, pero sigue teniendo valores superiores a la muestra inicial sin nanopartículas.

4.4. Análisis de AgNPs como agente bactericida

A lo largo de 21 días se observan diferencias notables en la mayoría de los alimentos. La conservación es mejor en las muestras del frigorífico con respecto a las que se guardan a temperatura ambiente y las que contienen nanopartículas. Tras aplicar la tira reactiva para la determinación de Ag⁺ a todas las muestras, se comprueba que no hay presencia de Ag⁺.

5. Conclusiones

La conclusión de la primera hipótesis es: con los medios disponibles en el laboratorio de un centro de enseñanza secundaria no se puede demostrar si la adición de nanopartículas produce la adsorción de iones metálicos presentes en una muestra de agua real, ni su retirada mediante la posible extracción de estas. Sin embargo, sí es posible comprobar la retirada de iones Fe³⁺ y Pb²⁺ de muestras de disoluciones preparadas con cantidades suficientes para ser detectadas por tiras reactivas.

La conclusión de la segunda hipótesis es: se demuestra que la presencia de nanopartículas de plata favorece la conservación de los alimentos y no se transfiere Ag⁺.

Bibliografía

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