Estrategias analíticas basadas en nanomateriales y electroforesis capilar para la determinación de plaguicidas

Abstract

El uso de plaguicidas (o pesticidas, derivado del inglés “pest”) en la agricultura ha sido clave para mejorar la productividad y mitigar el impacto de plagas y enfermedades en los cultivos. Sin embargo, su aplicación no controlada conlleva serias consecuencias ambientales y riesgos para la salud humana. Estos compuestos pueden alcanzar cuerpos de agua superficiales a través de distintos procesos y, dependiendo de su composición química y las condiciones ambientales, pueden persistir en el entorno, bioacumularse en organismos y, eventualmente, ingresar en la cadena alimentaria. La principal vía de exposición humana a los residuos de pesticidas es el consumo de agua y alimentos contaminados. Una vez en el organismo, estos compuestos pueden acumularse en órganos vitales y causar efectos tóxicos. Por ello, es fundamental desarrollar estrategias analíticas eficientes para la detección y monitoreo de pesticidas en matrices ambientales y agroalimentarias. En este contexto, la presente Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de métodos analíticos simples y rápidos, empleando sensores a escala micro/nanométrica y la técnica de electroforesis capilar para la determinación de residuos de pesticidas en muestras de aguas naturales, suelos y alimentos de origen vegetal. En una primera etapa, se propusieron metodologías de síntesis ecológicas para la obtención de partículas de óxido de cobre (Cu2O Ps) y nanopartículas de oro (AuNPs), que resulten de bajo costo, sencillas y rápidas. Debido a sus propiedades químicas y ópticas, estas partículas se aplicaron como sensores para la determinación de residuos de pesticidas, como imazapir y clorpirifós-metil, en muestras de agua y suelo. Posteriormente, se desarrolló un método novedoso basado en un nanosensor fluorescente para la detección de acetamiprid en muestras de aguas naturales. En este caso, se sintetizaron nanopartículas híbridas de plata y puntos cuánticos de carbono (Ag@Cdots). Para su aplicación, se diseñó un dispositivo portátil adaptable a un teléfono inteligente, permitiendo la captura de imágenes y posterior procesamiento sin la necesidad de equipamiento costoso. Finalmente, se desarrolló un método sencillo para la determinación de residuos de imidazolinonas en leches vegetales mediante electroforesis capilar de zona y regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR). Este método analítico permitió un análisis rápido, económico y con mínima generación de residuos. En todos los casos, los métodos analíticos desarrollados en esta Tesis Doctoral se proponen como alternativas eco-amigables, a través de la miniaturización de los sistemas, simplificación de etapas, uso de reactivos de baja o nula toxicidad y una menor generación de residuos.

The use of pesticides in agriculture has been key for improving productivity and mitigating the impact of pests and diseases on crops. However, their uncontrolled application can lead to serious environmental consequences and risks to human health. These compounds can reach surface water bodies through various pathways and, depending on their chemical composition and environmental conditions, may persist in the environment, bioaccumulate in organisms, and eventually enter the food chain. The main route of human exposure to pesticide residues is through the consumption of contaminated water and food. Once inside the body, these compounds can accumulate in vital organs and cause toxic effects. Therefore, the development of efficient analytical strategies for the detection and monitoring of pesticides in environmental and agri-food matrices is essential. In this context, the present PhD Thesis focuses on the development of simple and rapid analytical methods using micro/nanoscale sensors and capillary electrophoresis for the determination of pesticide residues in in samples of natural waters, soils, and plant-based foods. In the first stage, eco-friendly synthesis methodologies were proposed for obtaining copper oxide particles (Cu₂O Ps) and gold nanoparticles (AuNPs) in a simple, rapid, and cost-effective manner. Owing to their chemical and optical properties, these particles were applied as sensors for the determination of pesticide residues, such as imazapyr and chlorpyrifos-methyl, in water and soil samples. Subsequently, a novel method based on a fluorescent nanosensor was developed for the detection of acetamiprid in natural water samples. In this case, hybrid silver- carbon dot nanoparticles (Ag@Cdots) were synthesized. To enable practical application, a portable device equipped with a smartphone was designed, allowing image capture and subsequent processing without the need for expensive instrumentation. Finally, a simple method was developed for the determination of imidazolinone residues in plant-based milk using capillary zone electrophoresis combined with partial least squares regression (PLSR). This analytical method enabled rapid and cost-effective analysis with minimal waste generation. In all cases, the analytical methods developed in this PhD Thesis are proposed as eco- friendly alternatives achieved through system miniaturization, simplification of procedures, the use of low- or non-toxic reagents, and minimized waste generation.