Detección electroquímica basada en grafeno de herbicidas peligrosos

Aunque el glifosato es un herbicida no tóxico ampliamente utilizado, su descubrimiento en el campo es un desafío debido a la falta de equipos portátiles. A pesar de la presencia de herbicidas en las aguas superficiales, la orina de los agricultores y los residuos de cultivos, actualmente no se dispone de sensores de dispersión rápida y fáciles de usar, lo que requiere el transporte de muestras a los laboratorios.

​​​​​​estancia: Biosensor de grafeno inducido por láser enzimático para la detección electroquímica del herbicida glifosato. Haber de imagen: FrankHH/Shutterstock.com

En un reciente artículo publicado en la revista retos globales, se desarrolló un biosensor de grafeno inducido por láser (LIG) decorado con platino con inhibición de la flavoenzima glicina oxidasa (GlyOx) y se usó para detectar herbicidas de glifosato, ya que es un sustrato para GlyOx. Por lo tanto, este biosensor para grafeno proporcionó un andamio para unir la enzima.

Los resultados mostraron que el biosensor de grafeno exhibió un rango de detección de 10 a 260 μmol con un límite de detección (LOD) de 3,03 μmol y una sensibilidad de 0,991 nm por μm. El biosensor de grafeno mostró poca interferencia con otros insecticidas y herbicidas, incluidos el ácido 2,4-diclorofenoxiacético, la atrazina, el metilparatión, el dicamba y el tiametoxam.

Además, el biosensor de grafeno desarrollado también se probó contra fluidos de residuos de cultivos complejos y agua de río, para validar la plataforma actual como un método selectivo para la detección de glifosato para el análisis de alimentos y el mapeo de herbicidas.

Biosensor de grafeno para la detección de herbicidas de glifosato

El glifosato, N-(fosfonometil)glicina, es un herbicida sistémico de amplio espectro y desecante para cultivos. Aunque este plaguicida no es tóxico para los humanos y los animales, su transmisión a las aguas superficiales y su acumulación bajo tierra después de fuertes lluvias genera preocupación sobre el medio ambiente y la salud humana. La exposición al herbicida glifosato puede provocar varios riesgos para la salud, incluidos el linfoma no Hodgkin, enfermedades cardíacas, enfermedad de Parkinson e infertilidad femenina.

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El método actual de detección de glifosato incluye técnicas de laboratorio como la espectrometría de masas y la cromatografía de líquido/gas, que son equipos costosos con protocolos complejos y requieren el transporte de muestras al laboratorio. Por lo tanto, se necesita un sensor de campo rentable para superar los inconvenientes del transporte de muestras al laboratorio.

Aunque las modalidades de detección incluyen transistores de efecto de campo (FET) y quimioluminiscencia para el monitoreo de herbicidas de glifosato fuera del laboratorio, estos sensores requieren condiciones de sala limpia, lo que los hace inadecuados para el uso en el campo.

La detección de herbicidas de glifosato basada en la detección electroquímica es un método rentable y desplegable en el campo que facilita el monitoreo y el mapeo de la contaminación por herbicidas en grandes áreas de campo. Estos sensores electroquímicos permiten la detección de herbicidas incluso en muestras turbias y brindan una lectura digital de la concentración del marcador objetivo.

Los biomateriales a base de carbono, como los biosensores de grafeno, son materiales de bajo costo con propiedades eléctricas prometedoras, gran superficie/porosidad y adecuados para la detección ambiental en el campo. Los biosensores de grafeno LIG incorporan un proceso de grabado láser que supera la necesidad de síntesis de grafeno, impresión, tintas en fase de solución y recocido posterior a la impresión.

Con respecto a los pesticidas, los biosensores de grafeno se han utilizado previamente para detectar neonicotinoides, que se vincularon además con la peroxidasa de rábano picante para detectar hidrolasa organofosforada, atrazina y acetilcolinesterasa. Por lo tanto, los biosensores de grafeno son biosensores válidos para pesticidas.

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Biosensor de grafeno inducido por láser enzimático para la detección de herbicidas de glifosato

En este estudio, se utilizó LIG, un biosensor de grafeno, para detectar herbicidas de glifosato. Las nanopartículas de platino (Pt) decoraron el circuito LIG y mejoraron su reacción electroquímica. Además, su función vital con la enzima GlyOx facilitó el seguimiento selectivo de los herbicidas de glifosato. Por lo tanto, se desarrolló un sensor Pt-GlyOx-LIG, que muestra un rango de detección lineal para glifosato entre 10 y 260 μmol con un tiempo de respuesta de 150 s, una sensibilidad de 0,991 nm por μm y un LOD de 3,03 μmol.

El biosensor de grafeno desarrollado mostró poca interferencia debido al uso de neonicotinoides, organofosforados y herbicidas de uso común. Además, se realizaron pruebas de recuperación en líquidos complejos para verificar la usabilidad en campo del biosensor de grafeno. Aquí, el sensor estuvo expuesto a residuos de soya, brotes de maíz y muestras de agua de río recolectadas del río South Skunk en Iowa.

Los resultados revelaron tasas de recuperación ligeramente superiores para los residuos de soja y maíz, que se atribuyeron a la oxidación de la composición fúngica de glicina en cada cultivo. Por lo tanto, se ha demostrado que un biosensor de grafeno rentable puede implementarse ampliamente para monitorear y mapear herbicidas de glifosato en cuencas hidrográficas agrícolas.

conclusión

En conclusión, el presente trabajo demostró el uso de GlyOx y un biosensor de grafeno inducido por láser para la detección del herbicida glifosato. Este método involucró el desarrollo de sensores LIG decorados con Pt, lo que revela la escalabilidad de este método de fabricación para evitar la síntesis de grafeno, la exfoliación, el recocido térmico y la formulación de tinta.

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Las excelentes propiedades eléctricas, la gran área de superficie electroquímica, los sitios electrocatalíticos y los grupos funcionales LIG fueron favorables para las propiedades de biodetección en biosensores de grafeno avanzados. El sensor Pt-GlyOx-LIG mostró un rango de detección de 10 a 260 μmol con un tiempo de respuesta de 150 s y un LOD de 3.03 μmol. Además, este biosensor de grafeno mostró una interferencia mínima con otros insecticidas y herbicidas debido a la presencia de la enzima GlyOx.

referencia

Johnson, Z.T., Jared, N., Peterson, J.K., Li, J., Smith, E.A., Walper, S.A., Hooe (2022). Biosensor de grafeno inducido por láser enzimático para la detección electroquímica del herbicida glifosato. retos globales. https://doi.org/10.1002/gch2.202200057

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