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Aplicaciones

En esta sección no se discuten las aplicaciones relacionadas con el agua potable y el agua mineral, ya que generalmente no plantean problemas especiales y tales muestras pueden ser tratadas de manera similar como soluciones modelo.

Las determinaciones de sodio, potasio, calcio, amonio, fluoruro, cloruro y nitrato y la medición del pH son algunas de las aplicaciones de los ISE en el análisis de alimentos. Las determinaciones de sodio y potasio son dos de los ensayos que se realizan con mayor facilidad utilizando ISEs.

El sodio suele estar presente en la forma ionizada y, en consecuencia, en las soluciones que se van a medir como el ion libre hidratado, a menudo en altas concentraciones. En estas condiciones, el método de adición de analito es el más preferido. Por ejemplo, una cantidad de muestra analizada que contenga de 2 a 200 mg de sodio debe disolverse o lixiviarse con 100 ml de agua destilada. Los electrodos se colocan en un volumen medido (10-50 ml) de una solución de fondo de pH 10,2, que contiene una concentración conocida de 0,1-10 mmol l-1 de cloruro de sodio y 0,5 mol l-1 de trietanolamina. Después de que el potencial se estabilice, se añade un pequeño volumen, 0,1-1,0 ml, de la muestra. Las condiciones son adecuadas para las mediciones cuando el cambio de potencial después de la adición de la muestra está en el rango de 6-20 mV. La concentración de sodio en la solución de la muestra se calcula a partir del aumento de potencial y de la pendiente de la curva de calibración del electrodo de sodio. A niveles bajos de sodio los resultados pueden ser erróneos debido a la inevitable contaminación con sodio.

Cuando los niveles de sodio y potasio son más bajos, se prefiere el método de adición múltiple conocida. Un ejemplo es la determinación de sodio y potasio en el vino. La presencia de etanol a un nivel del 10% puede afectar al rendimiento del electrodo de membrana polimérica solvente y cambiar en cierta medida la selectividad de cada tipo de electrodo. Por lo tanto, se recomienda diluir diez veces las muestras de vino o añadir una cantidad comparable de alcohol a los estándares. Las muestras pueden diluirse con una solución de trietanolamina que proporcione una amortiguación adecuada del pH. La muestra de vino también puede mezclarse con una solución de ajuste de la fuerza iónica. Se realizan varias adiciones de solución patrón y se calculan los resultados mediante el método de Gran. En el caso de la determinación del potasio, los resultados pueden verse seriamente distorsionados cuando no se impide la difusión de los iones de potasio desde el electrodo de referencia utilizando un puente de doble unión que contenga acetato de litio.

La determinación del calcio suele basarse en el contenido total de calcio, ya que la diferenciación entre el calcio libre y el ligado sólo es posible cuando la muestra líquida inicial se mide directamente y no ha sido modificada por el ajuste del pH. El rango óptimo de pH suele estar entre 5 y 9. El calcio se determina a menudo en la leche y los productos lácteos. Normalmente se añade a la muestra una solución de 4 mol l-1 de KCl como solución de ajuste de la fuerza iónica. Las lecturas de potencial se comparan con una curva de calibración. Para la determinación del contenido total de calcio, la muestra se convierte en ceniza y el residuo se disuelve en un pequeño volumen de ácido clorhídrico diluido y se hace pasar por una columna de intercambio iónico para eliminar los pirofosfatos y los silicatos hidratados. A continuación, la solución resultante se diluye para que la concentración de calcio se sitúe en el intervalo de concentración óptimo, ajustado para el valor del pH y la fuerza iónica. El potencial se mide y se compara con una curva de calibración. Alternativamente, se puede utilizar el método de adición estándar para ambas determinaciones.

El fluoruro es importante para la salud dental, pero en cantidades excesivas se sabe que es tóxico. El único ion que interfiere en un electrodo de fluoruro es el ion hidróxido. La determinación del ion fluoruro no se ve perturbada por la presencia de la mayoría de los iones acompañantes, excepto aquellos que complejizan los iones fluoruro, como el aluminio o el hierro. Para eliminar estas interferencias, la solución de ajuste de la fuerza iónica suele contener un tampón de ácido acético de pH ∼4,5 y un ligando, como el poliaminopoliacetato o el citrato, que debería complejizar los iones metálicos que interfieren. Como el nivel de fluoruro en los alimentos suele ser bajo, el único problema es la preparación de la muestra para que la concentración en la solución final coincida con el rango óptimo de determinación. El contenido total de fluoruro se mide tras la digestión de la muestra. Esto puede incluir la ceniza, la fusión, la combustión en matraz de oxígeno y la digestión ácida en caliente. Los mejores procedimientos implican el uso de sistemas cerrados en los que la muestra se descompone con ácido nítrico concentrado a 100-120°C. En estas condiciones se evita la pérdida de fluoruro de la muestra. Los mejores procedimientos utilizan el método de adición estándar múltiple para la determinación del fluoruro. En el análisis de la harina o de la leche, el tratamiento de las muestras con ácido perclórico permite determinar el fluoruro a un nivel inferior a 0,4 μg por g. El contenido de fluoruro libre puede determinarse con una manipulación y un tratamiento mínimos de la muestra en una muestra líquida, por ejemplo, el vino.

El contenido de cloruro en los productos alimenticios puede determinarse por valoración con nitrato de plata utilizando un ISE de cloruro (membrana cristalina o de sitio cargado positivamente) o un electrodo de plata como indicador. La determinación directa con ISE es conveniente para contenidos bajos de cloruro; sin embargo, ambos procedimientos se ven afectados por la presencia de bromuro o yoduro cuando sus concentraciones son significativamente mayores que las del cloruro. En muestras ricas en proteínas se observan a menudo algunas irregularidades en el funcionamiento del electrodo. La interferencia del bromuro y el yoduro, así como de la adsorción de proteínas, puede evitarse hirviendo la muestra mezclada con ácido nítrico de 0,1 mol l-1. Para matrices alimentarias complicadas se ha utilizado una técnica de microcélula de difusión para simplificar la muestra. La muestra de alimentos se digiere con ácido sulfúrico concentrado frío y se deja que el proceso de difusión se lleve a cabo durante ∼24 h. Así, el cloruro se convierte en ácido clorhídrico, que se transporta en la célula de difusión al reactivo receptor. A continuación, el contenido de cloruro se determina directamente en el reactivo receptor por comparación de un potencial ISE de cloruro con la curva de calibración.

La determinación del nitrato es, en principio, sencilla; sin embargo, existen varias interferencias, siendo las principales los cloruros y los hidrogenocarbonatos. Pueden eliminarse añadiendo una solución de ajuste de la fuerza iónica compuesta por 0,01 mol l-1 de sulfato de plata, 0,06 mol l-1 de sulfato de potasio y ácido sulfúrico para acidificar la solución hasta un valor de pH inferior a 4. La determinación en patatas sólo requiere la mezcla de la muestra y la extracción con agua destilada y la adición de la solución de ajuste de la fuerza iónica. Pueden producirse algunas alteraciones cuando no se impide la salida de cloruro del electrodo de referencia.

Un ejemplo bastante raro que indica la posibilidad del análisis de especiación es la determinación de cobre iónico, en el rango de 20 a 90 μg l-1 utilizando un electrodo selectivo de cobre en una muestra de vino cuando el contenido total de cobre está en el rango de 0,10 a 1 mg l-1. La muestra se modifica muy poco mediante la adición de un volumen del 10% de 1 mol l-1 de KNO3, como debe hacerse con las soluciones patrón.

Los EIS se han utilizado para la determinación de aditivos alimentarios como la sacarina y el ciclamato. El sensor utilizado se basa en una membrana de poli(cloruro de vinilo) que contiene la sal del analito en una forma iónica adecuada como sitio cargado positivamente, por ejemplo, con un catión de amonio o un colorante básico. Tales sensores no están disponibles comercialmente, pero pueden fabricarse fácilmente en el laboratorio.

Los electrodos enzimáticos, que tienen una enzima inmovilizada o un cultivo microbiano que contiene una enzima, funcionan sobre la base de la actividad catalítica con la posterior detección del producto de la reacción enzimática. El resultado, dependiendo de la reacción, es, por ejemplo, un producto como el amoníaco o un cambio de pH en el medio, que es detectado por un elemento sensor correspondiente.

Los sensores utilizados para la determinación de los residuos de plaguicidas (propoxur, paraoxon) en los vegetales son dispositivos enzimáticos de multimembrana cuyo funcionamiento se basa en el principio de la inhibición de la actividad de una enzima como la acetilcolina esterasa. Esta reacción se monitoriza mediante un sensor de pH. La respuesta de estos biosensores a los herbicidas y plaguicidas abre un nuevo campo de posibilidades de ensayo en el análisis de alimentos.

Otro ejemplo en el análisis de alimentos es el uso de electrodos de cobre y plata en estado sólido para evaluar la frescura de la carne. Esto se debe al cambio de putrescina y sulfuro de dimetilo, cuya concentración cambia durante la putrefacción de la carne. Estas aplicaciones indican la variedad de aplicaciones de los ISE en el control y análisis de alimentos.