Imitador de la catalasa, propiedad del Co 3 O 4 como Nanomaterial, con diferentes morfologías y su aplicación como sensor de Calcio. Bryan Sanhueza Lobos Ingeniería Química UTEM 2017

IMPORTANCIA DE LOS NANOMATERIALES DE C O 3 O 4 catalizadores biometicos. Alta estabilidad y bajo costo. Distinta actividad catalítica según la morfología. Mayor actividad catalítica en presencia de Ca. Biosensor

H 2 O 2 SUB PRODUCTO DEL OXIGENO NATURAL DENTRO DE NUESTRO ORGANISMO EL OXIGENO SE METABOLIZA PARA DAR LUGAR AL PERÓXIDO DE HIDROGENO DICHO, DICHO METABOLISMO PUEDE CAUSAR LA GRAVE OXIDACIÓN DE MACROMOLÉCULAS EN CÉLULAS BIOLÓGICAS, LAS CATALASAS PRESENTES EN TODOS LOS ORGANISMOS AERÓBICOS Y MUCHOS ORGANISMOS ANAERÓBICOS PUEDEN CATALIZAR LA DESCOMPOSICIÓN DEL PERÓXIDO DE HIDROGENO A OXIGENO MOLECULAR Y AGUA, POR LO TANTO, SON ENZIMAS PROTECTORAS. ESTAS ENZIMAS ACTÚAN ASÍ COMO ANTIOXIDANTES MEDIANTE LA PROTECCIÓN DE LAS CÉLULAS CONTRA LOS EFECTOS DAÑINOS 2 H2O2 → 2 H2O + O2 Catalasas

EL PROBLEMA RADICA EN LA FALENCIA DE ESTAS CATALASAS EN EL ORGANISMO Y EN LOS DAÑOS CAUSADOS A PARTIR DE ESTO, DESTACANDO ENFERMEDADES Y TRASTORNOS, INCLUYENDO ENFERMEDAD DE PARKINSON Y ALZHEIMER, ENFERMEDAD CARDIOVASCULAR, E INCLUSO DESARROLLO DE TUMORES. COMO CATALIZADORES BIOLÓGICOS, LAS CATALASAS TIENEN NOTABLES VENTAJAS COMO LA ALTA EFICIENCIA Y CATÁLISIS SELECTIVA BAJO CONDICIONES NORMALES. SIN EMBARGO, EL ENZIMAS NATURALES POSEEN VARIOS INCONVENIENTES, INCLUYENDO BAJA ESTABILIDAD, ALTO COSTO, Y ASÍ SUCESIVAMENTE.

AHÍ SURGIÓ LA NECESIDAD DE SINTETIZAR ESTAS ENZIMAS Y AL RESPUESTA ESTABA EN LAS NANOPARTÍCULAS INORGÁNICAS. EN ESTE TRABAJO, LOS NANOMATERIALES DE CO3O4 INCLUYENDO NANOPLACAS, NANORODS, Y NANOCUBES FUERON SINTETIZADOS. LAS MORFOLOGÍAS Y COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS SE CARACTERIZARON POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN Y DIFRACCIÓN DE RAYOS X. SE ESTUDIARON LAS PROPIEDADES CATALÍTICAS DE LOS NANOMATERIALES CO3O4 COMO IMITADORES DE LA CATALASA. LOS MATERIALES CO3O4 CON DIFERENTE MORFOLOGÍA EXHIBIERON DIFERENTES ACTIVIDADES CATALÍTICAS EN EL ORDEN DE NANOPLACAS> NANORODS> NANOCUBES

LA DIFERENCIA DE LAS ACTIVIDADES CATALÍTICAS SE ORIGINÓ A PARTIR DE SUS DIFERENTES CAPACIDADES DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES. SUS ACTIVIDADES CATALÍTICAS AUMENTARON SIGNIFICATIVAMENTE EN PRESENCIA DE IÓN CALCIO. SOBRE LA BASE DE LA ESTIMULACIÓN POR ION DE CALCIO, UN BIOSENSOR FUE CONSTRUIDO POR NANOPLACAS DE CO3O4 PARA LA DETERMINACIÓN DEL ION CALCIO. EL BIOSENSOR TENÍA UNA RELACIÓN LINEAL CON LAS CONCENTRACIONES DE CALCIO Y UNA BUENA CORRELACIÓN DE MEDICIÓN ENTRE 0,1 Y 1 MM CON UN LÍMITE DE DETECCIÓN DE 4 ΜM. MOSTRÓ ALTA SELECTIVIDAD FRENTE A OTROS IONES METÁLICOS Y BUENA REPRODUCIBILIDAD. EL MÉTODO PROPUESTO FUE APLICADO CON ÉXITO PARA LA DETERMINACIÓN DE CALCIO EN UNA MUESTRA DE LECHE. Biosensor de calcio

SECCIÓN EXPERIMENTAL Síntesis de nanoplacas de Co3O4 Solución de Co(NO3)2 x6H2O + HMTA + NaOH (agitación 2h) Autoclave 110°C (15 h) Enfriamiento temperatura ambiente Lavado (Agua, Etanol y Acetona) Calcinación 200°C (2 horas)

SÍNTESIS DE NANORODS DE CO3O4 Solución de Co(CH3COO)2 x4H2O + etilenglicol (160°C) Flujo continuo de N + CaCo3 (agitación constante) Centrifugación Lavado con agua y secado (50°C,12h, vacío) Calcinación (450°C, 4 h)

Síntesis de nancubos de Co3O4 Solución de Co(CH 3 COO) 2 x4H2O + agua + Etanol (agitacion) Adición gota a gota de NH 3 25% Agitacion (15 min) Autoclave (150°C, 3h) Lavado con agua y secado a 60°C al vacio

Preparación de electrodos modificados los electrodos se pulieron con 0,3 μ m de suspensión de alúmina y luego se lavaron ultrasónicamente en agua y etanol, sucesivamente. Los tres nanomatetiales Co3O4 se dispersaron en agua destilada por dispersión ultrasónica para obtener las 3 suspensiones de nanomateriales de Co3O4 (3 mg mL-1) y tres coloidales (5 μ l) sobre tres superficies pretratadas y se dejó secar a 70 ° C. A continuación, una alícuota de 2 μ l de nafión (0,5% en peso) sobre la capa de nanomateriales de Co3O4 y se secó a 70 ° C.

Preparación de la muestra de leche. 5mL Leche + 50 mL de HNO 3 :HCLO 4 (5:1 v/v) Reposo 12 h Aumento paulatino de la T, hasta conseguir los gases de los acidos Se llevo a evaporación casi completamente Aforo a 50mL Medición de concentración EEA

Experimentos catalíticos y mediciones electroquímicas.  Actividad catalítica  Efecto del pH en la actividad catalítica  Efectos de la T en la actividad catalítica  Fluorescencia en presencia de ion Ca +2

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

a)Nanoplacas Co3O4 (SEM) b)Nanoplacas Co3O4 (TEM) c)Nanorods (SEM) d)Nanorods (TEM) e)Nanocubos (SEM) f)Nanocubos (TEM) Caracterización de Nanomateriales. la composición y fase de los Nanomateriales sintetizados se midió a partir de difracción de rayos X, mientras que la morfología se caracterizo con microscopia electrónica de barrido y microscopia electrónica de trasmisión

DIFRACCIÓN DE RAYOS X Patrones XRD de (a) nanoplacas de Co3O4, (b) nanorods de Co3O4, y (c) nanocubos de Co3O4.

ACTIVIDAD MIMÉTICA DE LA CATALASA DE C O 3 O 4.

Figura 3. Descomposición de H2O2 por nanopartículas de Co3O4, nanorods, y los nanocubos (a), y los efectos del pH (b) y de la temperatura (c) en el actividad catalítica de nanopartículas de Co3O4, nanorods de Co3O4 y nanocubos de Co3O4 (a, c) 20 mM H2O2, 20 μ g mL-1 Co3O4 nanomateriales, Tampon NaH2PO4 − NaOH 100 mM (pH 9,0). (b) H2O2 20 mM, 20 \ mu g ml-1 de nanomateriales Co3O4, tampón de fosfato 100 mM (diferentes pHs). El tiempo de reacción fue de 20 min. (c) El tiempo de reacción fue de 5 min. (b, c) El punto máximo se fijó como 100%.

CINÉTICA CATALÍTICA Los valores de Vmax de los tres nanomateriales Co3O4 mostró que las nanoplacas tenían la actividad mímica de la catalasa más alta, y nanorods exhibieron actividad media, más alto que nanocubes. por otro lado, los valores de Km más bajos con los dos sustratos fueron mostrados con los nanorods seguidos por las nanoplacas y luego los nanocubos. Los valores de Km representan la afinidad de la enzima hacia el sustrato. Cuanto más bajos sean los valores de Km, mayor la afinidad. Los valores de Km de los tres Co3O4 nanomateriales sugirieron que los nanorods tenían la mayor afinidad y nanoplacas ocuparon el segundo lugar, ambos de los cuales fueron mayor que la de los nanocubos.

Efectos de nanoplacas de Co3O4 (a), nanorods de Co3O4 (b) y nanocubos de Co3O4 (c) sobre los cambios de radicales hidroxilo con ácido tereftálico como una sonda de fluorescencia y la comparación de los radicales hidroxilo afectados por los tres nanomateriales Co3O4 (d). Las muestras que contenían 1 mM ácido tereftálico, H2O2 20 mM y diferentes concentraciones de los nanomateriales en solución tampón de NaH2PO4 − NaOH buffer(pH 9,0) expuestos a luz UV durante 10 min a 365 nm. Después de la centrifugación, las soluciones se utilizaron para la medición fluorométrica.

Posible mecanismo de reacción de los Nanomateriales Co3O4 como imitador de la catalasa

Estimulación de la actividad catalítica por ion de calcio. Efecto de Ca+2 sobre las actividades catalíticas de Nanomateriales. a)Nanoplacas b)Nanorods c)Nanocubos Como imitadores de la catalasa y la comparación de mejoras en las actividades catalíticas de diferentes Nanomateriales Co 2 O 4 en 100 mM de NaH 2 PO 4 -NaOH buffer pH, en presencia de Ca+ 2 y sin Ca+ 2

a) Voltamogramas cíclicos de electrodos modificados con naoplaca Co3O4 en presencia de diferentes concentraciones de Ca+2. el recuadro muestra las variaciones de las corrientes de reducción a V. b) curva dois-respuesta para la detección del ion calcio. c) la respuesta del electrodo de nanoplaca de Co3O4 con la adicion de Ca+2 y otros iones metálicos interferentes a las mismas concetraciones d) la respuesta del electrodo de nanoplaca de Co3O4 con la adicion de Ca+2 y otros iones metálicos interferentes en relación de concentración 10:1

CONCLUSIONES Los Nanomateriales de Co3O4 con diferentes morfologías (nanoplacas, nanorods, nanocubos) fueron sintetizados, notándose diferentes niveles de actividad estimulante de catalasa, en el orden de nanoplacas>nanorods>nanocubos. Los valores de Vmax y los valores de Kcat mostro que las nanoplacas tenían actividad mímica de catalasa mas alta y nanorods exhibieron actividad media, mas alto que nanocubos, que eran consistentes con los resultados anteriores. Sobre la base de la Energía de activación de los 3 Nanomateriales, que poseían diferentes actividades de reducción de la barrera energética. el anterior estudio mostro el control morfológico de los 3 imitadores de la catalasa, proporcionando la posibilidad de afinar su actividad catalítica. Las actividades en presencia de Ca+2 sobre la base de la estimulación, un biosensor amperonmetrico con nanoparticulas de Co3O4 fue desarrollado para detectar Ca en leche.