Diseño de un prototipo de sensor químico para la cuantificación in situ de cadmio en los granos de cacao de territorio colombiano
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2022
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Resumen
El cacao es un cultivo de gran importancia económica en Colombia cuyo fruto de fino aroma y sabor es muy solicitado en el mercado internacional, sin embargo, algunos estudios muestran la presencia de cadmio en los granos de cacao producidos en el país lo que obliga al productor a realizar análisis en laboratorios especializados para cumplir con los criterios de calidad.
El objetivo del presente proyecto es el diseño de un sensor químico para la cuantificación in situ de cadmio en el grano de cacao producido en el territorio colombiano, en vista de la necesidad de desarrollar nuevos métodos de cuantificación diferentes a los actualmente utilizados basados en laboratorio, que permitan al productor colombiano cumplir con los límites de cadmio solicitados para el grano por los compradores sin que se vean afectados sus tiempos de comercialización (comprometidos por los tiempos prolongados en entrega de resultados por parte de los laboratorios) y sus posibilidades de exportación (al constatar que el grano se encuentra dentro de los límites de cadmio aceptados).
Por tratarse de un sensor químico, el diseño consideró aspectos como la composición de la matriz del grano de cacao y la especiación del cadmio en esta para determinar el tipo de técnica de análisis más apropiada para la aplicación in situ y así establecer el tipo de transductor, receptor, sistema electrónico y de cómputo del prototipo.
La metodología planteada para la ejecución del diseño guió la escogencia de un sensor electroquímico de tipo voltamperométrico empleando la técnica de voltamperometría de redisolución anódica de onda cuadrada (SWASV) con electrodo de trabajo L-cisteína/grafeno reducido-quitosano/carbón vítreo (L- cys/GR-CS/GCE). El módulo de recepción y transducción fue construido parcialmente para medir cadmio en una muestra de cacao colombiano y los resultados fueron comparados con el análisis por ICP-MS de la misma muestra mostrando que el sensor diseñado tuvo un límite de detección (LD) y cuantificación (LC) de 0,099 ppm y 0,33 ppm respectivamente, buena sensibilidad y precisión aceptable con un coeficiente de variación de 0,1% y un error relativo con respecto al método de laboratorio de 12% ± 2%.
Descripción
Abstract
Cocoa is a crop of great economic importance in Colombia whose fine aroma and flavor fruit is much sought after in the international market, however, some studies show the presence of cadmium in cocoa beans produced in the country which obliges the producer to carry out analyzes in specialized laboratories to meet the quality criteria.
The aim of this project is the design of a chemical sensor for the in-situ quantification of cadmium in the cocoa bean produced in the Colombian territory, in view of the need to develop new determination methods different from those currently used which are based on laboratory. The purpose is to allow the producer to comply with the cadmium limits requested for the grain by the buyers without affecting their marketing times (compromised by the long times in delivery of results by the laboratories) and their export possibilities (verifying that the grain is within the accepted cadmium limits).
As it is a chemical sensor, the design considered aspects such as the composition of the cocoa bean matrix and the speciation of cadmium in it to determine the most appropriate type of analysis technique for in situ application and thus establish the type of transducer, receiver, electronic and computing system of the prototype. The proposed methodology for the execution of the design guided the choice of a voltammetric-type electrochemical sensor (SWASV) with a working electrode L-cysteine/reduced graphene-chitosan/glassy carbon (L-cys/GR- CS/GCE).
The reception and transduction module were partially built to measure cadmium in a Colombian cocoa sample and the results were compared with the ICP-MS analysis of the same sample showing that the designed sensor had a limit of detection (LD) and quantification (LC) of 0,099 ppm and 0,33 ppm respectively, good sensitivity and acceptable precision with a coefficient of variation of 0,1% and a relative error with respect to the laboratory method of 12% ± 2%.
Palabras clave
Sensor químico, Cadmio, Granos de cacao
Keywords
Chemical sensor, Cadmium, Cocoa beans