Derivatización de bisfenol A con Fe³⁺/[Fe(CN)₆]³⁻ para su determinación espectrofotométrica en agua y papel térmico
Artículos
Resumen
El bisfenol A es un contaminante emergente y disruptor endócrino; por ello, es pertinente el desarrollo continuo de métodos analíticos para su determinación. En este trabajo, se propone un nuevo método analítico basado en la espectrofotometría UV-Vis para la determinación de bisfenol A en agua y papel térmico, basado en una reacción con Fe3+ y Fe(CN)63-, dando como producto el azul de Turnbull; estas reacciones han sido ya documentadas. Mediante el método propuesto, fue posible la cuantificación indirecta de este compuesto en el intervalo de 100 a 1.500 μg L-1. La exactitud se estimó en 94 ± 15, calculada como el promedio ± desviación estándar en el recobro de 13 muestras sintéticas. Los límites de detección y determinación fueron de 28 y 94 μg L-1, respectivamente. Finalmente, el método se aplicó al análisis de muestras de agua contenidas en recipientes de policarbonato, antes y después de su exposición a radiación de microondas, estando la concentración de BPA por debajo del límite de detección en todos los casos. También se analizaron recibos expedidos en papel térmico entre 2018 y 2019 en Saltillo, Coahuila, encontrando concentraciones entre 0,8 y 2,7 %, equiparables a las reportadas por otros autores para este tipo de muestras.
Abstract
Bisphenol A is an emerging contaminant and endocrine disruptor; therefore, the continuous development of analytical methods for its determination is pertinent. In this work, a new analytical method based on UV-Vis spectrophotometry is proposed for the determination of bisphenol A in water and thermal paper is proposed, based on a reaction with Fe3+ and Fe(CN)63-, giving Turnbull blue as a product; these reactions have already been documented. Using the proposed method, indirect quantification of this compound in the range of 100 to 1.500 μg L-1 was possible. The accuracy was estimated to be 94 ± 15, calculated as the average ± standard deviation in the recovery of 13 synthetic samples. The limits of detection and determination were 28 and 94 μg L-1, respectively. Finally, the method was applied to the analysis of water samples contained in polycarbonate containers, before and after exposure to microwave radiation, the BPA concentration being in all cases below the detection limit. Receipts issued in thermal paper between 2018 and 2019 in Saltillo, Coahuila, were also analyzed, finding concentrations between 0.8 and 2.7 %, comparable to those reported by other authors for this type of samples.
INTRODUCCIÓN
El bisfenol A (BPA, por sus siglas en inglés) es el 4-[2-(4-hidroxifenil)propan-2-il]fenol (Figura 1). Es un compuesto químico que se emplea en la producción de gran variedad de polímeros de uso comercial, como:
Plásticos de policarbonato, para la fabricación de botellas de agua, objetos de cocina, recipientes de uso deportivo, autopartes, electrodomésticos, etc.
Resinas epóxicas, usadas en revestimientos de latas para alimentos y tuberías, selladores dentales, entre otros (National Center for Biotechnology Information - NCBI, 2024; Corrales et al., 2015).
Es el compuesto más representativo del grupo de los bisfenoles (BP). Se clasifica como disruptor endócrino, al actuar como sustancia exógena al organismo que altera la función del sistema endócrino y consecuentemente causa efectos adversos en su salud. Se considera un compuesto xenoestrogénico, ya que se une a los receptores de estrógeno y compite con esta hormona natural. En el ser humano, actualmente se le relaciona con efectos reproductivos adversos en ambos sexos, enfermedades cardiovasculares, alteraciones del sistema nervioso central, obesidad, diabetes tipo 2, cáncer, entre otros (Ma et al., 2019; Cimmino et al., 2020; La Merrill et al., 2020).
Hoy en día, en la Comunidad Europea se prohíbe el uso de BPA en la fabricación de biberones y contenedores de alimento infantil, además que desde 2018 se ha establecido el límite específico de migración (SML, por sus siglas en inglés) en 0,05 mg de BPA kg-1 de alimento, el cual se aplica a diversos materiales que contengan BPA y que entren en contacto con alimentos (Comisión Europea, 2018). Por otro lado, a partir de 2023 se declaró a nivel europeo la ingesta diaria tolerable para el BPA en 0,2 ng kg-1 de peso corporal día-1 (EFSA CEP et al., 2023). Dada su toxicidad, el BPA se considera hoy en día un contaminante emergente en el rubro de plastificantes (Rosenfeld & Feng, 2011).
El BPA también se usa como revelador de color en el papel térmico, de uso generalizado actualmente en la emisión de comprobantes de transacciones bancarias y comerciales, etiquetas y boletos, entre otros. En este tipo de papel se imprime por calor -no por tinta-, por lo que la impresión es rápida, silenciosa, de bajo costo y de calidad garantizada. Tan sólo en 2023 se estimó en 4,16 billones de dólares americanos el mercado mundial del papel térmico y se proyecta que tenga un incremento anual del 4,3 % del 2024 el 2030 (Grand View Research, 2024).
Desafortunadamente, el contenido de BPA en este tipo de materiales es alarmantemente alto. Por ejemplo, Geens et al. (2012) reportaron BPA en 44 muestras de papel térmico colectadas en Bélgica, con concentraciones entre 0,9 y 2,1 % peso/peso (p/p); de acuerdo con sus estimaciones, esto representó una media de exposición de 0,44 μg de BPA por día para la población en general. En otro trabajo, Babu et al. (2015) reportaron BPA en la mayoría de las muestras analizadas de este tipo de papel, recolectadas en Estados Unidos (n=164), con concentraciones en el intervalo de 0,45 a 4,26 % p/p. Además, Frankowski et al. (2020) encontraron el BPA en 69 % de los recibos comerciales impresos en papel térmico colectados en 39 países, de mayo del 2018 a mayo del 2019. Ante tales hallazgos, desde 2016 la Unión Europea promovió la restricción de BPA en papel térmico, fijando su concentración máxima permitida en 0,02 % p/p a partir de enero de 2020 (Comisión Europea, 2016).
Desde el punto de vista analítico, la cuantificación de BPA en matrices sólidas y líquidas se lleva a cabo principalmente por técnicas cromatográficas, siendo la espectrometría de masas la técnica de detección más común (Salgueiro-González et al., 2017). Además, el análisis de muestras ambientales está evolucionando rápidamente hacia la química analítica sustentable, en la que además de priorizarse la reducción en el uso de reactivos y disolventes tóxicos, disminuyen los residuos generados por análisis y baja su costo total. Con fines de preconcentración en muestras líquidas, la técnica más usada es la extracción en fase sólida, seguida de microextracción líquido-líquido dispersiva; para el tratamiento de muestras sólidas, las técnicas más usadas son QuEChERS, así como la extracción asistida por ultrasonido o microondas (Pérez-Fernández et al., 2017; Casado-Carmona et al., 2023).
Tanto en muestras sólidas como líquidas, la determinación de BPA normalmente se lleva a cabo sin el desarrollo de reacciones químicas previas; sin embargo, la derivatización es una estrategia que permita alcanzar una mayor sensibilidad o selectividad en el análisis (Atapattu & Rosenfeld, 2022). Así, Park et al. (2016) han propuesto la reacción de BPA con hierro III (Fe3+) y el anión ferricianuro [Fe(CN)6]3- en la construcción de un microdispositivo para su cuantificación, si bien éste es poco sensible debido al uso de imágenes con fines de detección. De manera análoga, diversos autores han propuesto la determinación espectrofotométrica de salbutamol y aciclovir (Basavaiah et al., 2003), meloxicam (Vasiliki et al., 2007) y vitamina E (Jadoon et al., 2010) mediante su derivatización con estos reactivos.
En este trabajo, se presenta la puesta a punto de un método espectrofotométrico sensible para la determinación de BPA a nivel de trazas mediante su derivación con Fe3+/[Fe(CN)₆]3− y su aplicación en agua y recibos comerciales impresos en papel térmico.
MATERIALES Y MÉTODOS
Instrumentación
Se utilizó un espectrofotómetro UV-Vis Cary 300 de Agilent Technologies, controlado por el software Cary WinUV v. 4.20. Para el tratamiento de datos, se utilizó el programa OriginPro SR0 de Origin Lab Corporation y Statgraphics Centurion 19 de Statgraphics Technologies.
Reactivos y materiales
Todos los reactivos fueron al menos grado analítico. El BPA (pureza > 99,8 %) fue de Sigma-Aldrich, al igual que los bisfenoles S, F, AF, B y M. El metanol (MeOH) y acetonitrilo (ACN) fueron grado HPLC de JT Baker. Se utilizó agua tridestilada marca Jalmek.
Se preparó una disolución patrón de BPA de 100 mg L-1 disuelto en MeOH, la cual se almacenó a 4 °C protegidas de la luz. Las disoluciones de trabajo se prepararon diariamente por dilución adecuada. Los cartuchos de extracción en fase sólida (SPE, en inglés) fueron de C18 (Supelclean ENVI-18) para su operación en fase reversa, con 1 g de adsorbente y cuerpo de jeringa de 6 mL, de Sigma-Aldrich.
Procedimiento
Para la reacción de derivatización, en matraces aforados de 10 mL se adicionaron volúmenes adecuados de Fe2(SO4)3 y K3Fe(CN)6 para obtener concentraciones finales de 10 mg L-1 y 30 mg L-1, respectivamente; después de agregó BPA en MeOH, la muestra acuosa o bien el extracto de papel térmico en MeOH. Igualmente, se añadió MeOH para alcanzar una concentración final del 15 % v/v y se completó el volumen con agua tridestilada hasta el aforo. Se esperaron 30 min para el desarrollo de la reacción, a temperatura ambiente. Posteriormente, se registraron los espectros de absorción de 350 a 850 nm, frente a un blanco reactivo, con una resolución de 1 nm.
Para la extracción del BPA en el papel térmico, se adaptó el procedimiento descrito por Jurek y Leitner (2018). En tubos para centrífuga de vidrio con fondo cónico de 15 mL, se agregaron muestras de papel térmico de 100 mg aproximadamente, en fragmentos pequeños, más 2 mL de MeOH en cada caso. Las muestras se llevaron al baño ultrasónico por 15 min y se tomó 1 mL del sobrenadante para llevar a la reacción de derivatización.
Para la preconcentración de BPA en agua, cada cartucho de SPE se acondicionó con 10 mL de MeOH y 10 mL de agua tridestilada. La muestra acuosa de 100 mL se pasó a través del cartucho a razón de 10 mL min-1 aproximadamente, para después eluir el analito con 2 mL de MeOH.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El procedimiento se sustenta en tres reacciones químicas (Burriel et al., 1994):
Donde BP representa a un bisfenol, mientras que BPox re refiere a su producto oxidado. Finalmente, se forma un complejo entre el producto oxidado del bisfenol con el producto de la última reacción, de color azul intenso, conocido como azul de Turnbull.
Optimización de la derivatización
En la Tabla 1 se muestran las variables estudiadas para el desarrollo de la reacción con BPA como analito, así como las condiciones elegidas. En primera instancia, fue necesario reconocer las concentraciones de Fe2(SO4)3 y K3Fe(CN)6 para llevar a cabo la reacción. Para ello, se prepararon una serie de disoluciones con variaciones en la concentración de la sal férrica y de la sal de ferricianuro siguiendo un diseño experimental del tipo factorial completo 32, con dos réplicas por condición.
Tabla 1. Variables estudiadas en el desarrollo de la derivatización de BPA.
Disoluciones en medio acuoso
Variable
Intervalo estudiado
Valor elegido
Concentración de Fe2(SO4)3a
10 a 50 mg L-1
10 mg L-1
Concentración de K3Fe(CN)6a
10 a 50 mg L-1
50 mg L-1
Tipo y concentración de ácido mineral añadido
H2SO4 y HCl, 0 al 10 % v/v
No se requiere
Temperatura del medio de reacción
25 a 80 °C
25 °C
Tiempo de reacción
1 a 120 min
30 min
Volumen de MeOH
0 a 1,5 mL
1,5 mL
NOTAS
La superficie de respuesta con tales resultados se muestra en la Figura 2, donde puede observarse que las concentraciones de 10 mg L-1 para Fe2(SO4)3 y de 50 mg L-1 para K3Fe(CN)6 son las recomendadas para realizar la reacción. Para este modelo, la ecuación propuesta fue Absorbancia=0,2949 – 0,0535*Ion férrico + 0,0551*Ion ferricianuro + 0,0012*Ion férrico^2 – 0,0009*Ion férrico*Ion ferricianuro - 0.0003*Ion ferricianuro^2, la cual explica el 77 % de la variabilidad en absorbancia.
Por otro lado, en la Tabla 2 se presenta el análisis de varianza, mediante el cual se aprecia que la concentración de la especie Fe(CN)63-, el término cuadrático asociado a la especie Fe3+ y la interacción entre ambos factores son significativos. El promedio de los residuos correspondió a 0.18242.
Gl, grados de libertad. Probabilidad asociada a factores
Fuente
Suma de cuadrados
Gla
Cuadrado medio
Razón-F
Valor-Pb
A:Ion férrico
0,1005
1
0,1005
1,34
0,2745
B:Ion ferricianuro
0,8621
1
0,8621
11,46
0,0069
AA
0,8491
1
0,8491
11,29
0,0072
AB
0,9440
1
0,9440
12,55
0,0053
BB
0,03880
1
0,0388
0,52
0,4891
Bloques
0,03563
1
0,0356
0,47
0,5070
Error total
0,7522
10
0,0752
NOTAS
En segunda instancia, se evaluó la influencia de la acidez del medio en la reacción, utilizando para ello disoluciones de ácido clorhídrico y ácido sulfúrico a diferentes concentraciones, cuya presencia no favoreció el desarrollo de la reacción. También se exploró la influencia de un medio de reacción básico con la ayuda de hidróxido de sodio, observándose que apareció un precipitado de color anaranjado en lugar del complejo azul esperado. Ante estos resultados, se decidió realizar la reacción sin la adición de reactivos para el ajuste del pH. Posteriormente, se analizó el efecto de la temperatura sobre el desarrollo del producto de derivatización. Para ello, se calentaron tres réplicas a 50 y 80 °C durante 30 min, apareciendo un precipitado no deseable. Ante este hecho, el resto de los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente.
Otra variable estudiada fue el tiempo de reacción, o periodo de espera necesario para que ésta se desarrolle hasta llegar a una señal analítica constante. En la Figura 3a se presenta la tendencia observada en la absorbancia registrada a 800,5 nm, para una concentración de BPA de 4.000 μg L-1. Tal como puede observarse, se tiene un incremento exponencial en la absorbancia hasta llegar a 30 min, donde se estabiliza la señal analítica. Por ello, el tiempo de reacción se fijó en este valor. Finalmente, en la Figura 3b se observa el espectro de absorción del producto de la reacción a partir del BPA.
Calibración y validación del método
En las condiciones óptimas elegidas, se preparó una serie de 18 muestras para la calibración de BPA en el método espectrofotométrico, considerando nueve niveles de concentración por duplicado. El intervalo lineal de trabajo fue de 100 a 1.500 µg L-1; la ecuación de la curva de calibración estimada fue A800 = 1,8787x10-4[BPA, µg L-1] + 0,0128, con un coeficiente de correlación de 0,991. También se realizó un análisis de datos residuales (diferencias entre las señales registradas y las esperadas por el modelo a las concentraciones dadas), encontrando que la elección de éste en su expresión lineal fue pertinente.
Posteriormente, se continuó con la validación del método a través del cálculo de la exactitud y precisión. Para la primera, se prepararon 13 muestras de concentración conocida de BPA en el intervalo de 40 a 750 µg L-1, las cuales se sometieron al proceso de derivatización y se analizaron bajo las condiciones instrumentales antes descritas, para estimar sus porcentajes de recobro correspondientes. A partir de estos datos se calculó un promedio ± desviación estándar de 94 ± 15 % de BPA. Complementariamente, para la precisión en términos de repetibilidad se prepararon dos series de cinco muestras cada una, a 500 y a 1.100 µg L-1 de BPA, expresándose el resultado de ésta como desviación estándar relativa en porcentaje, también conocida como coeficiente de variación, la cual se estimó en 14 y 10 %, respectivamente. En cuanto a la sensibilidad del método, se preparó una serie de seis muestras blanco para la estimación de los límites de detección y determinación, los cuales fueron de 28 y 94 µg L-1 de BPA, respectivamente. A partir de estos parámetros, el método se consideró exacto y preciso, además de sensible.
Respecto a la selectividad de la reacción, el metanol interfiere en la determinación en una razón de 1:1.000.000, al igual que el etanol; por ello es importante fijar su concentración final en el medio de reacción. Por otro lado, los bisfenoles S, F, B, M y AF reaccionan en las mismas condiciones de derivatización que el BPA, pero con distinta velocidad de reacción, en el orden:
bisfenol F > bisfenol B > bisfenol M > bisfenol AF > bisfenol S
Si bien se forma el mismo producto de reacción tras la derivatización, se reconocen cinéticas distintas, así como máximos de absorción en los espectros con desplazamientos batocrómicos o hipocrómicos respecto a la longitud de onda del máximo del derivado del BPA.
Cuantificación de BPA en agua
Para la aplicación del método, se analizaron siete muestras de agua tridestilada que se almacenaron en recipientes de policarbonato de uso alimentario, las cuales se resguardaron cuatro semanas protegidas de la luz a temperatura ambiente. Las muestras fueron analizadas antes y después de su calentamiento por 10 min en horno de microondas de uso doméstico, a máxima potencia.
Cada una de estas muestras se pre-concentró por SPE con la finalidad de incrementar la concentración de BPA en el lixiviado, si éste migrase del recipiente de policarbonato de uso alimentario a la matriz acuosa. De acuerdo con los análisis realizados, en todos los casos el BPA estuvo por debajo del límite de detección del método y por lo tanto por debajo del SLM de 0,05 mg de BPA kg-1 de alimento (Comisión Europea, 2018), por lo cual se consideró seguro el uso de estos recipientes en relación a la presencia de BPA.
Cuantificación de BPA en papel térmico
También se analizaron fragmentos de este tipo de papel encontrado en recibos comerciales expedidos en 2018 y 2019 en Saltillo, Coahuila, México. Una vez realizada la extracción del BPA de acuerdo con el procedimiento descrito en la Metodología, se realizó la reacción de derivatización y su determinación espectrofotométrica. En la Tabla 3 se presentan los resultados del análisis de cinco muestras de papel térmico provenientes de distintos establecimientos comerciales.
Tabla 3. Cuantificación de BPA extraído de papel térmico para impresión de recibos comerciales.
a Expresada como media aritmética ± desviación estándar, derivada del análisis de tres réplicas. b % p/p, unidad de concentración peso/peso en porcentaje.
Muestra
Concentracióna, % p/pb
Recibo comercial 1
0,8 ± 0,2
Recibo comercial 2
2,9 ± 0,1
Recibo comercial 3
1,3 ± 0,3
Recibo comercial 4
1,8 ± 0,1
Recibo comercial 5
2,7 ± 0,3
NOTAS
De acuerdo con estos datos, las concentraciones estimadas estuvieron en el mismo orden de concentraciones que las reportadas por otros autores (Liao & Kannan, 2011; Geens et al., 2012; Babu et al., 2015; Frankowski et al., 2020).
CONCLUSIONES
En este trabajo, se presentó la determinación indirecta de BPA, a través de su oxidación con sales férricas que finalizó con la formación del colorante conocido como azul de Turnbull, cuya señal de absorbancia a 800 nm fue proporcional a la concentración de BPA a niveles traza. La exactitud y precisión del método fueron aceptables, considerando el orden de concentración del analito. Sin embargo, debe reconocerse que su selectividad fue limitada, ya que otros compuestos orgánicos con carácter reductor pueden oxidarse en las condiciones propuestas. Por ello, su aplicación se recomienda en el análisis de matrices simples o estando el BPA entre los compuestos mayoritarios. Se sugiere su uso como prueba simple y de bajo costo para la cuantificación de BPA, antes de una prueba cromatográfica para su confirmación.
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