Procedimiento y dispositivo para la detección de formaldehldo
SECTOR DE LA TECNICA
Esta invention se encuadra en el sector técnico de los procedimientos de analisis de sustancias mediante el uso de indicadores qwmicos y por medios opticos, concretamente la detección de formaldehido por colorimetria o fluorescencia.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El formaldehido es uno de los compuestos organicos basicos mas importantes de la industria quimica. El grupo espanol ERCROS produce del orden de 788.000 toneladas al ano y BASF 500.000 toneladas al ano. Se utiliza en la production de diversos productos, desde medicamentos hasta melamina, baquelita, etc.
Dado que la normativa de prevention de riesgos es cada vez mas restrictiva en cuanto a la dosis diaria y los niveles maximos de exposition a formaldehido, por parte de las empresas en las que se utiliza formaldehido existe una demanda creciente en el desarrollo de nuevos sensores para la detección de este compuesto.
En los ultimos anos el uso de quimiodosimetros, cromogenicos o fluorogenicos para la detección de especies neutras ha experimentado un enorme desarrollo. El enfoque quimiodosimetrico en el diseno de sistemas de detección presenta varias ventajas siendo la selectividad la mas importante.
En este método quimiodosimetrico, la sonda debe disenarse de tal manera que una reaction quimica con el analito de lugar a cambios observables en sus propiedades fotofisicas. Estos metodos se basan en una reacción quimica con el analito que da lugar a cambios observables. Para ser util en el proceso de detección la reacción tiene que tener lugar rapidamente, debe presentar selectividad respecto al analito estudiado y es importante que se produzca bajo condiciones suaves.
Es sabido que la exposición a cantidades de formaldehido de 10 a 20 ppm produce irritación casi inmediata de los ojos y una sensación de quemazon aguda en la nariz y la garganta que puede estar asociada con estornudos, tos y dificultad para respirar profundamente. La recuperación de estos efectos transitorios es rapida. Sin embargo, la exposición de 5 a 10 minutos a 50 a 100 ppm puede causar lesiones permanentes graves en los conductos respiratorios inferiores. Ademas, es bien conocido que el ormaldeWdo tiene un efecto toxico sobre el sistema nervioso y presenta caracteristicas carcinogenas. Por otra parte, el formaldeWdo es un agente quimico ampliamente utilizado. Se genera, por ejemplo, a partir de materiales de construction como productos de madera prensada (sobre todo a partir de resinas adhesivas) o tableros de fibra o madera contrachapada. Se usa tambien como aditivo para prensa permanente, ingrediente en colas y conservante en laboratorios medicos como liquido de embalsamamiento y esterilizador. El formaldehido es tambien un subproducto de la combustion (humo de cigarrillos, aparatos que queman combustible y calefactores de queroseno) y, por consiguiente, se puede encontrar en concentraciones significativas y en diversos entornos.
La detection del formaldehido suele realizarse utilizando diferentes tecnicas como la espectrofotometria, HPLC, espectroscopia de fluorescencia inducida por laser, electroforesis capilar, conductimetria, y biosensores basados en enzimas. Dichos metodos, aunque presentan limites de detección extraordinariamente bajos, implican instrumentation cara y necesidad de personal experimentado para llevar a cabo las medidas. Ademas, en el caso de las reacciones enzimaticas existe un problema adicional procedente de la falta de estabilidad de este tipo de sensores.
A diferencia de estos, los metodos opticos muestran ciertas ventajas tales como simplicidad operacional, portabilidad o posibilidad de monitorización en tiempo real.
La detección del formaldehido realizada hasta ahora usando metodos opticos se ha basado en el uso de reacciones lentas que requieren condiciones elevadas de temperatura para producirse.
Tambien se ha hecho uso de reacciones de derivatización para convertir el analito en otro compuesto susceptible de ser estudiado por distintas tecnicas instrumentales. El empleo de tecnicas espectrofotometricas mas simples como puede ser el ultravioleta o la fluorescencia, en general requiere una derivatización previa como ocurre en el método del acido cromotropico (acido 4, 5-dihidroxinalftaleno-2, 7-disulfonico) . El documento DE 19600762 describe un dispositivo para determinar formaldehido en la superficie de muebles o en paredes usando acido cromotropico, por tanto mediante una reaction diferente a la presente invention, con lo que presenta otros interferentes, velocidades de reacción y respuesta distintas a las del procedimiento de la presente invención.
Se han usado en otros casos agentes de derivatización como la 2, 4-dinitrofenilhidracina, fenilaminas o diaminas (como la p-fenilenodiamina) .
El brillant cresyl blue, nombre comercial de una mezcla de dos aminas aromaticas, se ha empleado tambien en la detection de formaldeWdo. El mayor inconveniente de este reactivo es que los compuestos son aminas aromaticas con el consiguiente peligro que ello entrana.
Otras tecnicas se basan en el empleo de la reaction de Hantzsch que conduce a la obtención de un compuesto ligeramente coloreado. Basado en la reacción de Hantzsch se ha comercializado, con el nombre Fluoral P, la 4-amino-3-penten-2-ona para la detección de formaldehido sometiendo al compuesto a una serie de modificaciones para facilitar su uso. El estudio del impacto medioambiental de este compuesto no se ha realizado por lo que su potencial contaminante es desconocido.
Hay descritos en la bibliografia algunos dosimetros colorimetricos que permiten una detección visual de formaldehido a traves de diversas reacciones quimicas con limites de detección del orden de los del procedimiento descrito en la presente invention. Asi, se ha empleado con frecuencia como quimiodosimetros el amino-3-hydrazino-5-mercapto-1, 2, 4-triazol comercializado como Purpald ®. Este compuesto se usa en union a ZnO, KIO4 y agar. El articulo Journal Environmental Technology [1] divulga un procedimiento de detección de fomaldehido basado en estos reactivos. La detección según Journal Environmental Technology se puede hacer a simple vista, sin necesidad de emplear ningun instrumento de medida y existen dispositivos que permiten doble detección. La desventaja del procedimiento divulgado en este articulo en relation con la presente invención radica en la mayor peligrosidad del mismo tanto desde el punto de vista personal como desde el medioambiental. Por una parte, el compuesto organico empleado es inflamable incluso en estado solido y por otra parte el per y odato potasico es un oxidante fuerte que puede reaccionar con numerosos compuestos organicos.
La reacción de Pictet-Spengler de catecolaminas primarias con formaldehido seguida de una deshidrogenación para generar las 3, 4-dihidroisoquinolinas correspondientes, se ha utilizado para la diferenciación histoquimica de monoaminas biogenas (dopamina o noradrenalina) mediante microscopia de fluorescencia, según se describe en [2]. Sin embargo en esta referencia la reacción solo funciona en solution a diferencia de lo que ocurre en la presente invención, pues las aminas no son volatiles y es el formaldehido el reactivo que se dispone sobre el soporte para la detección de aminas. Tampoco aparece ninguna information ni sugerencia acerca del posible uso de la reacción para la detección de formaldehido.
El documento [3] describe un procedimiento de detection de formaldeWdo a traves de la formation de nanotubos de polidopamina a partir de dopamina y utilizando un patron de ZnO. Los flmites de detección alcanzados son mas bajos de 100 ppb. Aunque estos sensores se preparan a partir de dopamina, sin embargo la detección no se hace a simple vista sino que necesita metodos instrumentales. El documento [3] tambien divulga la posibilidad de utilizar sflice mesoporosa SBA-15 y otras nanoestructuras como ZIF en algunos procedimientos de detección de sustancias.
El método descrito en US4438206A comprende detectar el formaldehido en presencia de albumina, por fluorescencia de la sustancia formada por reaction de una solution que contiene formaldehido con acetilcetona. Este método presenta una buena sensibilidad pero para su empleo es necesario preparar el reactivo que dara lugar a los cambios de color y ademas las medidas se realizan siempre en disolución y no aparece ninguna indication sobre su posible uso en fase gas.
El documento US20040197225 A1 divulga un sensor de formaldehido que contiene silica gel como soporte. La reacción en la que se basa es la reacción de Hantzsch usando la 4-amino-3-penten-2-ona, diferente de la que es utilizada en la presente invention. A diferencia de lo divulgado en US20040197225A1, la presente invention emplea la reacción de Pictet-Spengler y solo necesita un escaner para realizar la cuantificación. Ademas, el impacto medioambiental de la 4-amino-3-penten-2-one utilizada en el documento US20040197225A1, no ha sido todavia evaluado.
Segun el documento US4511658 el flmite de detección alcanzado es bueno pero el empleo de amino-3-hidrazino-5-mercapto-1, 2, 4-triazol como compuesto organico hace que sea mas peligroso que el procedimiento de la presente invención.
La reacción de Pictet Spengler en la que se basa el procedimiento y el dispositivo de la invención, se habia descrito para la detección de catecolaminas con algunos ajustes para dar estabilidad. Y aunque se ha divulgado - documento [3.- el uso de sflice mesoporosa funcionalizada, y de nanotubos de ZnO como soporte para reacciones de detección de formaldehido, no hay ningun dato sobre la posibilidad de que la reacción pueda dar lugar a un dispositivo capaz de detectar formaldehido a simple vista y de alcanzar flmites de detección de 2 ppm como se describe en la presente invención.
Se han encontrado otras reacciones para detección de formaldehido soportadas en sflice [3] pero presentan mas de una etapa, presentan inestabilidad y/o necesitan tecnicas de detección diferentes y mas complejas. Se ha encontrado un documento que ivulga detection de formaldeWdo por doble v^ a pero basado en un sistema totalmente diferente y menos respetuoso con el ambiente.
Por tanto, aunque la reaction que se utiliza en el procedimiento de la presente invention era conocida [2], y [3] divulga un sensor que se basa en una reacción soportada similar, la ventaja técnica de la presente invención es que se ha conseguido soportar la reacción en un material de manera que se puede detectar formaldehido por doble via, dando lugar a un sensor respetuoso con el medioambiente, sencillo, que permite la lectura a simple vista.
Teniendo en cuenta los sistemas presentes en el mercado, el diseno de pruebas sencillas para la detección de formaldehido con la selectividad y sensibilidad adecuadas y que sean respetuosas con el medio ambiente es un desarrollo necesario.
En la presente invención se lleva a cabo la detección a traves de una reacción conocida en si misma, pero que se produce directamente sobre la superficie de un soporte tal como la sflice y que por lo tanto no requiere disolvente. El proceso es en una etapa y se produce a temperatura ambiente y en tiempos cortos, en condiciones ambientales respetuosas, de forma facil y con buenos limites de detección. Ademas, la invención permite medir la cantidad de formaldehido a traves de dos canales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en primer lugar a un procedimiento de detección de formaldehido en fase gas caracterizado porque comprende:
a) llevar a cabo una reacción de Pictet-Spengler de una beta-ariletilamina primaria que tiene grupos alcoxi, grupos hidroxilo o combinaciones de ambos en posiciones 3 y 4, con formaldehido
b) deshidrogenar el producto obtenido en dicha reacción en presencia de un amino acido y un azucar reductor,
de forma que a) y b) se producen en una sola etapa sobre un soporte de caracter acido, en ausencia de disolvente,
c) y detectar el producto final.
Segun realizaciones particulares, el amino acido es preferentemente glicina.
Segun realizaciones particulares adicionales, el azucar reductor es preferentemente sacarosa.
Segun realizaciones particulares preferentes, la deshidrogenación se realiza con glicina y sacarosa pues presentan la ventaja de ser solubles en agua y no contaminantes.
Las beta-ariletilaminas que reaccionan con formaldehido son las que tienen en posiciones 3 y 4 grupos alcoxi, en general o grupos hidroxilo. Todas originan productos fluorescentes pero la mayor fluorescencia se produce cuando en posición 3 hay un hidroxilo.
Los grupos alcoxi pueden ser por ejemplo: etoxi, metoxi, propoxi, butoxi, y preferentemente son grupos metoxi.
La beta-ariletilamina puede ser, por ejemplo, una 3, 4-dialcoxiariletilamina o 4-alcoxi-3-hidroxiariletilamina, 3, 4-dihidroxiariletilamina, y según realizaciones particulares preferentes es una catecolamina o 3, 4-dihidroxiariletilamina, de modo mas preferente aun es 3, 4-dihidroxifeniletilamina o dopamina.
El anillo aromatico puede tener sustituyentes adicionales tales como grupos alquilo, alcoxi, hidroxilos, halogenos, pero preferentemente es un anillo sustituido solo en las posiciones 3 y 4 con grupos alcoxi o hidroxilo.
La cadena alquílica de la beta-ariletilamina puede tener sustituyentes tales como grupos alquilo, alcoxi, hidroxilos, halogenos, pero preferentemente no los tiene o son sustituyentes poco voluminosos.
La reacción de deshidrogenación genera el doble enlace en el heterociclo resultante de la reacción i) y esa reacción es la que lo convierte en fluorescente.
La detection del producto final puede ser colorimetrica o fluorescente.
El soporte para la reacción se dispone sobre un material base puede ser de un material que soporte las condiciones de la reacción, y que puede ser papel, un poflmero hidrofobico, un poflmero hidrofflico, metal, tal como una placa de aluminio, vidrio, plastico, etc.
Segun realizaciones particulares preferentes, el soporte es sflice, preferentemente es gel de sflice, y de forma preferente es gel de sflice que esta dispuesto recubriendo el material base.
Segun una realization particular, en la que la catecolamina es la dopamina, el esquema de las reacciones es el siguiente:
La presente invention se refiere ademas a una sonda o dispositivo de detection in situ de formaldeltido, que utiliza el procedimiento de detección descrito. El dispositivo de la invención comprende los reactivos necesarios para llevar a cabo el procedimiento de la invención descrito anteriormente.
Por lo tanto el dispositivo comprende los reactivos necesarios para llevar a cabo la reaction de Pictet-Spengler con formaldehido sobre un soporte con caracter acido, tal como un soporte de sflice y en ausencia de disolvente.
Segun realizaciones particulares del dispositivo, el soporte con los reactivos estan dispuestos sobre un material base que puede ser por ejemplo, una placa de aluminio recubierta del soporte, tal como gel de sflice.
Los cambios de color se observan a simple vista y los de fluorescencia se detectan con una lampara manual que no tiene por que ir unida al dispositivo.
El dispositivo de la invención se puede usar para la detección in situ de formaldehido en atmosferas contaminadas.
El dispositivo es capaz de actuar como sensor pasivo colorimetrico y fluorescente para la detección de formaldehido en tiempo real.
Los reactivos, se utilizan en la proportion aproximada de 20:5:1 de betaariletilamina:amino acido:azucar reductor.
Segun realizaciones particulares, el dispositivo comprende una mezcla de tres productos comerciales soportados (dopamina, glicina y sacarosa) sobre una placa de aluminio recubierta con gel de sflice. Las concentraciones de estos reactivos se utilizan en la proporción 20:5:1 de dopamina:glicina:sacarosa. El mecanismo de generation de la senal es una reacción de ciclación directa, facil, reproducible y permite obtener un dispositivo estable en condiciones normales.
En estas condiciones se puede determinar la concentration de formaldehido hasta niveles por debajo de 2 ppm mediante una doble via: cambio de color y emision de fluorescencia dando lugar a dispositivos con tiempos de reacción cortos y alta sensibilidad.
Realizaciones preferentes del dispositivo comprenden una tira reactiva que contiene los diferentes componentes del sistema de detection para la detection colorimetrica.
El dispositivo ofrece un doble canal de medida ya que da lugar a cambios en color, lo que permite la detección en tiempo real y a simple vista, sin necesidad de emplear ningun instrumento de medida y a cambios de sus propiedades fluorescentes cuya observation a simple vista requiere del uso de una lampara de mano de ultravioleta.
La presente invention se refiere ademas al uso del dispositivo de detección de formaldehido en la industria del sector del mueble Por otra parte, el dispositivo no solo puede servir para la determination de la emision de los tableros sino como un sistema de protection personal ya que la senal, al ser acumulativa, se podra emplear para determinar los tiempos maximos de permanencia de los trabajadores en un ambiente contaminado. Tambien se puede usar el dispositivo o el procedimiento en la industria de la automoción, en particular para las tapicerias, o en centros hospitalarios.
La presente invención se refiere ademas al uso del procedimiento de detección de formaldehido en fase gas:
- como sensor de formaldehido portatil, para uso, en la industria del mueble (hay prevista la aparición de una nueva normativa europea que regula de forma estricta los limites de emision de formaldehido por parte de los tableros de madera)
- como sensor de formaldehido en el entorno sanitario donde los valores de este contaminante en el ambiente pueden superar los establecidos como niveles de riesgo laboral.
- a nivel domestico pueden se puede comercializar para controlar la contamination en dichos entornos, fundamentalmente en entornos donde haya ninos o personas con una especial sensibilidad a este compuesto.
El dispositivo desarrollado presenta las ventajas de simplicidad de operation, facilidad de lectura, es portatil y permite el diseno de sondas de un solo uso para la detección de formaldehido en fase gas de forma selectiva y con alta sensibilidad.
Las ventajas del procedimiento y dispositivo de la invención son:
- se pueden emplear el dispositivo tanto para protección personal como para control de la contaminación en centros de trabajo mediante el control del dispositivo por ordenador o mediante aplicaciones para telefono movil,
- los compuestos que se emplean en el proceso son todos ellos poco contaminantes y la detección se lleva a cabo a temperatura ambiente y tras cortos tiempos de exposición,
- no requiere gestion de residuos, dada la naturaleza no contaminante de los componentes utilizados que son respetuosos con el medio ambiente ya que todos los componentes forman parte de los organismos biologicos y son inocuos para la fauna y la flora,
- es simple y barato, y se puede detectar formaldehido en fase gas en tiempo real,
- la detección en fase gas permite llevar a cabo una medida acumulativa;
- la medida se puede hacer por dos canales: color y fluorescencia, lo cual da robustez al método y una mayor sensibilidad,
- los limites de detección estan por debajo de los valores establecidos en las diferentes normativas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Muestra los cambios en el espectro UV despues de la adición de formaldehido (0, 9 equivalentes) .
Figura 2. Muestra el espectro de fluorescencia de un sensor y del mismo sensor en presencia de 4 equivalentes de formaldehido (Aexc=420 nm) .
Figura 3. Muestra sensores soportados sobre gel de sflice en presencia de cantidades crecientes de formaldehido en fase gas.
Figura 4. Respuesta del dispositivo en presencia de cantidades crecientes de formaldehido gas.
EJEMPLOS
Ejemplo 1
Dispositivo para detección de formaldehido en fase gas
Preparation del dispositivo
Se disuelven en agua desionizada 100 mg de dopamina, 25 mg de sacarosa y 5 mg de glicina. Una vez disueltos todos los reactivos y con la disolución homogenizada, se umerge una placa de gel de sflice en el interior de dicha disolución. A continuation, se deja secar la placa de gel de sflice al aire y una vez seca, esta lista para utilizarse. Si en vez de emplear agua desionizada, se emplea un tampon de fosfato a pH 7, 5 los resultados son practicamente los mismos.
Las concentraciones utilizadas en el ejemplo son las mmimas para alcanzar ese flmite de detection. A concentraciones menores no se vena el cambio con esos valores de analito. Concentraciones mayores se pueden usar manteniendo la relation de los componentes pero encarecerian la detección por ello se han hecho los estudios a las concentraciones indicadas.
Conservation
Almacenando las placas de gel de sflice expuestas a las condiciones ambientales (aire, luz, etc.) mantienen su actividad sensora durante 2 dias. Si se conservan protegidas de la luz solar y en un ambiente seco y limpio, el numero de dias habiles para su uso aumenta considerablemente.
Experimento de detección
En un matraz de fondo redondo, se deposita la fuente de formaldehido (formalina, tablero de melanina etc.) en el fondo, y suspendida unos centimetros por encima de la fuente se coloca la placa de gel de sflice (mediante un hilo o cualquier otro metodo) , se calienta a 60 °C con lo que el formaldehido pasa a fase gas y entra en contacto con el sensor soportado sobre la placa de gel de sflice situada unos centimetros por encima, dando lugar a un cambio de color que nos revela la presencia de gas. El matraz de fondo redondo puede ser sustituido por cualquier otro recipiente. El (flmite de deteccion) LOD en fase gaseosa fue inferior a 1, 08 |jg / L. Este valor esta por debajo del flmite de 2 ppm durante 15 minutos aceptados por OSHA (Occupational Safety and Health Administration of USA) .
Ejemplo 2.
Ejemplo de respuesta del dispositivo frente a valores de formaldehido crecientes
La evaluation de la respuesta del sensor frente a patrones gaseosos de formaldehido se realizo de la forma siguiente: En matraces de fondo redondo de 100 mL, se suspende la sonda de forma tal que no toque la pared del recipiente. Dentro de cada matraz se colocan cantidades crecientes y conocidas de formaldehido disuelto en agua y los matraces se cierran hermeticamente. Los matraces se calientan a 60°C para provocar l paso del aldehido a fase gas y se mantiene la calefacción durante 5 horas para garantizar la liberation total del analito.
BIBLIOGRAFfA
[1] Journal Environmental Technology, Volume 37, 201.- Numero 13 Colorimetric monitoring of formaldehy de in indoor environment using built-in camera on mobile phone, Yoshika Sekine, Risa Katori, Yuko Tsuda & Takio Kitahara,
[2] Acta Chemica Scandinavica 1966, 20, 2755-2762, Gosta Jonsson
[3] Journal of Material Chemistr y 2016, 4, 3487; Polydopamine nanotubes: bio-inspired synthesis, formaldehy de sensing properties and thermodynamic investigation; Dong Yan, Pengcheng Xu, Qun Xiang, Hongru Mou, Jiaqiang Xu, Weijia Wen, Xinxin Lic y Yuan Zhang.
