MEDIDA DE VITAMINA C POR VOLTAMETRÍA CÍCLICA 1 Luisa Amézquita1, Valeria Tocancipa1, Tania Espinosa1 Facultad de Ciencias Básicas, Escuela de Química, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Sede central (Tunja), Boyacá, Colombia. RESUMEN: La presente práctica tuvo como objetivo principal la determinación de la concentración de Vitamina C de un jugo de naranja, a partir de la técnica electroanalítica la voltametría cíclica, mediante la realización de dos curvas de calibración una de adición estándar a volumen constante y otra de estándar externo, para lo cual se realizaron seis diluciones de la disolución estándar. Encontrando que la ecuación de la recta de curva de calibración en estándar externo es y(±1,9)=[73,125(±6,2)]X+[0,926(±1,5)] con una sensibilidad de calibración de 73,125 µA mL/mg y la concentración de ácido ascórbico es de 0,175𝑚𝑔/𝑚𝐿 con un porcentaje de error del 30 %, mientras que la ecuación de la recta de la curva de calibración por adición estándar a volumen constante es y (±2,0) = [69,45(±6,3)]X+ [11,662(±1,6)] con una sensibilidad del 69,45 µA mL/mg donde concentración del ácido ascórbico, es de 0,336 𝑚𝑔/𝑚𝐿 con un porcentaje de error del 34,4 %. INTRODUCCIÓN La voltametría se define como “el conjunto de técnicas basadas en la relación que existe entre corriente y el voltaje durante un proceso electroquímico”, donde el voltamperograma corresponde a la representación gráfica de la corriente frente al potencial del electrodo de trabajo de una mezcla [1]. Esta técnica abarca un grupo de métodos electro-analíticos en los que la información sobre el analito se deduce de la medición de la corriente en función del potencial aplicado, en condiciones que favorecen la polarización de un electrodo indicador o de trabajo. Por lo que se caracterizan debido a que involucran la aplicación de un potencial a un electrodo y el monitoreo de la corriente resultante que fluye a través de la celda electroquímica. En muchos casos, el potencial aplicado varía o la corriente se monitorea durante un período de tiempo. Las cuales pueden describirse como alguna función de potencial, corriente y tiempo. Son consideradas técnicas activas a diferencia de las técnicas pasivas como la potenciometría, porque el potencial aplicado fuerza un cambio en la concentración de una especie electroactiva en la superficie del electrodo al reducirla u oxidarla electroquímicamente [2]. Donde la voltametría cíclica consta de una celda electroquímica de tres electrodos, basada en variar el potencial aplicado en un electrodo de trabajo en ambas direcciones hacia adelante y hacia atrás (a cierta velocidad de exploración) mientras se observa la corriente. Esta técnica implica una variación lineal y cíclica del potencial del electrodo entre los electrodos de trabajo y de referencia dentro de una ventana de potencial al medir la corriente que fluye entre los electrodos de trabajo y contraelectrodos. La voltametría cíclica es una medida electroquímica potenciodinámica en la que el potencial del electrodo de trabajo aumenta en la dirección opuesta para volver a su potencial inicial [3]. El objetivo de la práctica fue la determinación de la concentración de Vitamina C de un jugo de naranja, a partir de la técnica electroanalítica la voltametría cíclica. DETALLES EXPERIMENTALES Instrumentación: En la práctica de laboratorio realizada se utilizaron matraces volumétricos, agua destilada, un vidrio reloj, y un gotero para la preparación de las disoluciones; como reactivos se utilizó K3Fe (CN)6, ácido ascórbico, KCl y jugo de naranja para la determinación de la vitamina C. Por otro lado, se utilizó un potenciostato de la marca origamaster de referencia 06F500, un contraelectrodo de platino, y un electrodo de referencia de Ag/AgCl. Procedimiento experimental: - Curva de calibración de ácido ascórbico por estándar externo: Inicialmente se preparó una disolución estándar con 0,252 mg de ácido ascórbico en 250 mL de agua destilada, se utilizaron cinco matraces de 50 mL añadiendo 0, 5,00, 10,00, 15,00, y 20,00 mL de la disolución estándar en cada uno de los matraces, luego se añadió a cada matraz 0,186 g de KCl y posteriormente se aforo con agua desionizada. Para su análisis por voltametría cíclica se utilizó el potenciostato y se añadió cada disolución a la celda electroquímica. - Curva de calibración de ácido ascórbico por adición estándar: Se utilizaron cinco matraces de 50 mL añadiendo 0, 5,00, 10,00, 15,00, y 20,00 mL de la disolución estándar de ácido ascórbico en cada uno de ellos, se añadieron 25 mL del jugo de naranja en cada matraz y una cantidad de 0,186 g de KCl, luego se aforaron con agua desionizada para finalmente realizar su análisis por voltametría cíclica utilizando el potenciostato, donde se añadió cada disolución a la celda electroquímica. Por otro lado, se preparó una muestra problema en un matraz de 50 mL añadiendo 25 mL del jugo de naranja y 0,186 g de KCl. RESULTADOS 1. Curva de calibración de ácido ascórbico por estándar externo A partir de los datos obtenidos del análisis de las disoluciones correspondientes por voltametría cíclica, se realizó la curva de calibración de ácido ascórbico por estándar externo, con los datos obtenidos de las intensidades máximas de nuestros voltagramas y con las concentraciones de nuestras disoluciones analizadas. Voltamperograma 35 Corriente [µA] 30 25 Ряд2 20 Ряд3 15 Ряд4 10 Ряд7 5 Ряд8 Ряд9 0 -0,2 -5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Potencial [ V] Gráfica 1: Voltamperograma, corriente versus potencial, para estándar externo Cálculos de las concentraciones Se preparó una solución estándar de ácido ascórbico 1 mg/mL, se pesaron 0,252 gramos de ácido ascórbico y se aforaron a 250mL de agua. Concentración real de la solución estándar de ácido ascórbico 252𝑚𝑔 𝐴𝐴 = 1,008𝑚𝑔/𝑚𝐿 250𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 Solución 1: 0 mg/mL 5mL× Solución 2: C = Solución 3: C = Solución 4: C = Solución 5: C = Curva: 1,008mg mL 50mL 10mL× 1,008mg mL 50mL 15mL× 1,008mg mL 50mL 20mL× 1,008mg mL 50mL mg = 0,1008 mL mg = 0,2016 mL mg = 0,3024 mL mg = 0,4032 mL Tabla 1: Datos de concentración y corriente para construir la curva de calibración Concentración AA (mg/mL) Corriente (µA) 0 0 0,1008 7,86 0,2016 18,69 0,3024 22,01 0,4032 29,78 Muestra desconocida 7,34 Curva de calibración 35 y = 73,125x + 0,926 R² = 0,979 corriente (µA) 30 25 20 15 Ряд2 10 Линейная (Ряд2) 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Concentración de AA (mg/mL) Gráfica 2: Curva de calibración de ácido ascórbico por estándar externo Datos de la curva de calibración: Regresión lineal Pendiente (µA mL/mg) sm - desviación de la pendiente R2 Sensibilidad calibración Límite de detección Límite de cuantificación Ecuación de la recta 73,125 6,179 0,979 b - intercepto (µA) 0,926 sb - desviación estándar del intercepto y 1,5256 sy - desviación estándar de y 1,9695 de 73,125 µA mL/mg 0,06258709 mg/µA mL 0,20862362 mg/µA mL y(±1,9)=[73,125(±6,2)]X+[0,926(±1,5)] Datos y cálculos para determinar la desviación del intercepto--x 𝑆 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑜 𝑥 = 1,9695 1 1 (7,34 − 15,668)2 =√ + + |73,125| 1 5 (73,125)2 ∗ 0,102 𝑆 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑜 𝑥 = 𝟎, 𝟎𝟑 Cálculos para determinar la concentración de ácido ascórbico -Interpolación para determinar la concentración de ácido ascórbico en la muestra problema: Concentración ( mg 7,34µA − 0,926µA )= = 0,0877 mL mL 73,125 µA mg mg Concentración (mL) =0,0877 ± 0,03 Cantidad de ácido ascórbico(mg) = 0,0877mg × 50mL = 4,39mg mL mg 4,39mg 0,175 mg )= = AA mL 25mL mL Concentración en 25 mL ( La muestra analizada, Jugo de naranja marca Tree fruts, contiene 100% de vitamina C, porcentaje de valor diario que está basado en una dieta de 2000 calorías, según esto y según las tablas de ingestas diarias de referencia se consultó que el valor en gramos basado en una dieta diaria de 2000 calorías, es de 60 mg de ácido ascórbico, teniendo en cuenta también que la información nutricional de vitamina C en la muestra analizada arroja los valores correspondientes a una porción (240mL). Entonces, la concentración de ácido ascórbico en el jugo de naranja marca Tree fruts, según su información nutricional, sería: 60𝑚𝑔 = 0,25𝑚𝑔/𝑚𝐿 240𝑚𝐿 0,175 − 0,25 %error = | | × 100 = 30 %error 0,25 2. Curva de calibración de ácido ascórbico por Adición estándar a volumen constante: A partir de los datos obtenidos del análisis de las disoluciones correspondientes por voltametría cíclica, se realizó la curva de calibración de ácido ascórbico por adición estándar a volumen constante, con los datos obtenidos de las intensidades máximas de nuestros voltamperogramas y con las concentraciones de nuestras disoluciones analizadas. Voltamperograma 45 40 35 Corriente [µA] 30 Ряд1 25 Ряд4 20 Ряд7 15 Ряд8 10 Ряд10 5 0 -0,2 -5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Potencial [ V] Gráfica 3: Voltamperograma, corriente versus potencial, para la adición estándar. Cálculos de las concentraciones Se preparó una solución estándar de ácido ascórbico 1 mg/mL, se pesaron 0,252 gramos de ácido ascórbico y se aforaron a 250mL de agua. Concentración real de la solución estándar de ácido ascórbico 252𝑚𝑔 𝐴𝐴 = 1,008𝑚𝑔/𝑚𝐿 250𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 Solución 1: 0 mg/mL Solución 2: C = 5mL× 1,008mg mL 50mL mg = 0,1008 mL Solución 3: C = Solución 4: C = Solución 5: C = 10mL× 1,008mg mL 50mL 15mL× 1,008mg mL 50mL 20mL× 1,008mg mL 50mL mg = 0,2016 mL mg = 0,3024 mL mg = 0,4032 mL Curva: Tabla 2: Datos de concentración y corriente para construir la curva de calibración por adición estándar Concentración AA (mg/mL) Corriente (µA) 0 12,84 0,1008 18,68 0,2016 22,68 0,3024 33,87 0,4032 40,25 Curva de calibración 45 y = 69,454x + 11,662 R² = 0,9759 40 corriente (µA) 35 30 25 20 Corriente 15 Линейная (Corriente) 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Concentración de AA (mg/mL) Gráfica 4: Curva de calibración de ácido ascórbico por adición estándar Datos de la curva de calibración Regresión lineal Pendiente (µA mL/mg) sm, desviación de la pendiente R2 69,45 b, intercepto (µA) sb, desviación estándar del 6,30 intercepto y 0,976 sy, desviación estándar de y 11,662 1,555 2,007 69,45 µA mL/mg Sensibilidad de calibración Ecuación de la recta y (±2,0) = [69,45(±6,3)]X+ [11,662(±1,6)] Datos y cálculos para determinar la desviación del intercepto--x 𝑆 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑜 𝑥 = (25,664)2 2,007 1 =√ + |69,45| 5 (69,45)2 ∗ 0,102 𝑆 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑜 𝑥 = 𝟎, 𝟎𝟒 Cálculos para determinar la concentración de ácido ascórbico -Extrapolación para determinar la concentración de ácido ascórbico mg/mL Concentración ( mg 11,662µA )= = 0,168 mL mL 69,45 µA mg mg Concentración (mL) =0,168 ±0,04 Cantidad de ácido ascórbico(mg) = 0,168mg × 50mL = 8,4mg mL mg 8,4mg 0,336 mg )= = AA mL 25mL mL Concentración en 25 mL ( La muestra analizada, Jugo de naranja marca Tree fruts, contiene 100% de vitamina C, porcentaje de valor diario que está basado en una dieta de 2000 calorías, según esto y según las tablas de ingestas diarias de referencia se consultó que el valor en gramos basado en una dieta diaria de 2000 calorías, es de 60 mg de ácido ascórbico, teniendo en cuenta también que la información nutricional de vitamina C en la muestra analizada arroja los valores correspondientes a una porción (240mL). Entonces, la concentración de ácido ascórbico en el jugo de naranja marca Tree fruts, según su información nutricional, sería: 60𝑚𝑔 = 0,25𝑚𝑔/𝑚𝐿 240𝑚𝐿 0,336 − 0,25 %error = | | × 100 = 34,4 %error 0,25 ANÁLISIS Mediante la determinación de los picos máximos de las curvas hechas a partir del análisis por voltametría cíclica (gráfica 3), las cuales nos brindaban los datos de intensidades de corriente máxima en microamperios, y también mediante las concentraciones de nuestras disoluciones de adiciones estándar, se construyó la curva de calibración del ácido ascórbico por adición estándar expuesta en la gráfica 4, donde la ecuación de la recta que relaciona la concentraciones de nuestras disoluciones de adiciones estándar del ácido ascórbico y la intensidad de la corriente máxima, presenta un pendiente con un valor de 69,45 lo que nos indica que es una buena sensibilidad del método y el intercepto con el eje y es igual a 11,662 así como el coeficiente de correlación, el cual presenta un grado de linealidad de 0,976 lo que nos indica que el modo lineal es adecuado para describir el grado de relación que existe entre estas variables; se determinó, mediante extrapolación y demás cálculos, la concentración del ácido ascórbico en el jugo de naranja artificial, este valor fue de 0,336mg/mL, y según la información nutricional del jugo de naranja marca Tree Fruts, 0,25mg/mL es la concentración de vitamina C en tal jugo, por tal motivo, se determinó que hubo un error del 34,4% a la hora de hallar la concentración de vitamina C en el jugo de naranja artificial mediante voltametría cíclica (por adición estándar); según el error calculado de la concentración determinada por adición estándar (±0,04) el valor calculado de concentración esta fuera del valor reportado por el fabricante. En cuanto a la determinación de ácido ascórbico mediante la curva de calibración por estándar externo, también se realizó el procedimiento de tomar los datos de intensidades de corriente máxima en microamperios que nos brindaban los voltamperogramas (gráfica 1), donde la ecuación de la regresión lineal presenta un pendiente con un valor de 73,125 y el intercepto con el eje y es igual a 0,926 así como el coeficiente de correlación, el cual presenta un grado de linealidad de 0,979 lo que nos indica que el modo lineal es adecuado para describir el grado de relación que existe entre estas variables, y junto con las concentraciones de las disoluciones utilizadas se construyó la curva de calibración expuesta en la gráfica 2, a partir de ella, por interpolación, se determinó la concentración del ácido ascórbico en el jugo de naranja artificial, este valor fue de 0,175mg/mL, y según la información nutricional del jugo de naranja marca Tree Fruts, 0,25mg/mL es la concentración de vitamina C en tal jugo, por tal motivo, se determinó que hubo un error del 30% a la hora de hallar la concentración de vitamina C en el jugo de naranja artificial mediante voltametría cíclica (por estándar externo); según el error calculado de la concentración determinada por estándar externo (±0,03) el valor calculado de concentración esta fuera del valor reportado por el fabricante. El método más eficaz realizado fue entonces el de voltametría cíclica por estándar externo, ya que la concentración determinada por medio de este método es más cercana al valor que nos arroja la información nutricional del jugo de naranja artificial analizado. Estos errores obtenidos, en los dos métodos, pueden ser considerados gracias a una preparación inexacta de las soluciones utilizadas para realizar la curva de calibración, o también un error del experimentador a la hora de pulir el electrodo de pasta de carbono, ya que puede haber una pérdida gradual de la sensibilidad de detección debido a una reacción electroquímica heterogénea que se produce en la interfaz entre la superficie del electrodo y la solución, esto ocurre cuando el producto de la reacción se adsorbe sobre la superficie del electrodo y bloquea la transferencia de electrones. Los voltagramas obtenidos a partir de la determinación de la vitamina c por voltametría cíclica por el método de estándar externo y adición estándar, nos demuestran la reacción irreversible de oxidación que presenta el ácido ascórbico, la cual da lugar a la formación del ácido dehidroascórbico, donde se genera la siguiente reacción: Por otro lado, se realizó un análisis estadístico de los datos obtenidos para la curva de calibración de estándar externo, y para la curva de calibración de adición estándar, haciendo una regresión lineal, para finalmente obtener el límites de detección de cuantificación de la curva por estándar externo, y la sensibilidad de calibración de cada curva. Para la curva de estándar externo, se obtuvo una sensibilidad de calibración de 73,125 µA mL/mg y para la curva de adición estándar fue de 69,45 µA mL/mg, indicándonos así cuanto cambia la señal del instrumento por unidad de concentración, el límite de detección para la curva de estándar externo fue de 0,06258709 mg/µA mL, el cual que nos permiten detectar la señal del ácido ascórbico y la del ruido, diferenciándolas cada una. También se obtuvo el límite de cuantificación para la curva de calibración por estándar externo el cual fue de 0,20862362 mg/µA mL, según este límite de cuantificación los valores determinados de concentración no se podrían usar fiablemente, la señal se detecta pero no hay cuantificación con precisión. Todo esto, con el fin de validar un método analítico, para demostrar que el procedimiento realizado durante la práctica es apto cumpliendo con el objetivo principal de la determinación de la concentración de Vitamina C del jugo de naranja, a partir de la técnica voltametría cíclica. Con respecto a la titulación potenciometría, se puede decir que la voltametría cíclica se diferencia en cuanto al método de la obtención de la curva de calibración y la determinación de la concentración del analito, puesto que en la titulación potenciométrica es posible registrar la variación del pH y del voltaje en la disolución, al ir añadiendo un agente valorante, donde se calcula la primera y segunda derivada con el fin de hacer una estimación más precisa del punto de equivalencia de la titulación y a partir de esto se calcula la concentración, mientras que en la voltametría cíclica está involucrado el potencial y la corriente que fluye a través de la celda electroquímica, de donde se genera un voltamperograma y la corriente máxima es la corriente utilizada para construir la curva de calibración de corriente vs la concentración. Con respecto a las curvas de calibración obtenidas por el método de estándar externo, y de adición estándar, si es posible mejorar la linealidad de dichas curvas, eliminando el dato que más se encuentra fuera de la tendencia en cada una de ellas, por lo cual, al realizar de nuevo la curva de adición estándar se obtiene un coeficiente de correlación más alto, lo que indica que la curva tiene mayor precisión, obteniendo lo mismo para la curva de estándar externo. El dato que se encuentra fuera de la tendencia en la curva de calibración para adición estándar es la concentración de 0,2016 mg/mL con una corriente de 22,68 µA, y al eliminar este dato se obtiene la curva representada en la gráfica 5, donde se obtiene un coeficiente de correlación de 0,99881 y comparado con el obtenido sin eliminar el dato más alejado se evidencia que es más cercano a uno, y por ende nos podría brindar mayor confiabilidad a la hora de realizar los otros análisis. La concentración del ácido ascórbico determinada a partir de la curva de calibración también varía al mejorar la linealización, puesto que es mayor cuando se elimina el dato fuera de la tendencia, obteniendo así un valor de 0,179 mg/mL. Curva de calibración 50 y = 69,454x + 12,408 R² = 0,9981 corriente (µA) 40 30 Ряд1 20 Линейная (Ряд1) 10 0 0 0,2 0,4 0,6 Concentración de AA (mg/mL Grafica 5. Curva de calibración por adición estándar Para la curva de calibración por estándar externo, el dato que se encuentra fuera de la tendencia es la concentración de 0,2016 mg/mL con una corriente de 18,69 µA/cm2, y al eliminar este dato se obtiene la curva representada en la gráfica 6, donde se obtiene un coeficiente de correlación de 0,9996, siendo más alto este que el obtenido en la curva sin eliminar el dato. La concentración del ácido ascórbico determinada a partir de la curva de calibración es mayor al mejorar la linealización de esta, ya que es igual a 0,098 mg/mL. Densida de corriente (µA/cm²) Curva de calibración 35 30 25 20 15 10 5 0 y = 73,125x + 0,1705 R² = 0,9996 Ряд1 Линейная (Ряд1) 0 0,2 0,4 0,6 Concentración de AA (mg/mL) Gráfica 6. Curva de calibración por estándar externo. Por otro lado, la técnica establecida como normativa en Colombia para la determinación de Vitamina C, corresponde a la norma general del codex para en zumos y néctares de frutas la cual es la cromatografía liquida de alta resolución en el 14130 del 2004, esta técnica tiene como ventaja es su simpleza, rapidez y reproducibilidad además que requieren un mínimo de preparación de la muestra y emplea diversidad de fases estacionarias y de sistemas de detección, lo cual permite obtener resultados rápidos y precisos, sin embargo la voltametría cíclica es más efectiva frente a la cromatografía liquida de alta resolución debido a que incluyen una excelente sensibilidad con un rango de concentración lineal útil muy grande tanto para especies inorgánicas como orgánicas (10–12 a 10–1 M),un gran número de disolventes y electrolitos útiles, una amplia gama de temperaturas, tiempos de análisis rápidos, como la determinación simultánea de varios analitos además de que no necesita de una separación por lo el tiempo gastado es menor. Finalmente, para mejorar la técnica aplicada de voltametría cíclica para la determinación del ácido ascórbico contenido en el jugo de naranja, se podrían realizar replicas a la hora de medir el potencial cuando se obtienen los voltamperogramas de corriente vs potencial de cada una de las disoluciones realizadas a diferente concentración, ya que solo se realizó una vez y por ende no nos brindan una confiabilidad total de los datos, puesto que al pulir el electrodo utilizado, este al no quedar completamente limpio, pudo generar interferencias que se pueden ver en el voltamperograma, ya que alguno de los picos obtenidos pueden variar mucho o pueden presentar gran dispersión con respecto a los otros. También es importante verificar si el potenciostato utilizado se encuentra calibrado, para obtener una mayor confianza de los datos, para así mejorar el método aplicado. CONCLUSIONES: - - - - - Por medio de la técnica electroanalítica, la voltametría cíclica, se determinó la concentración del ácido ascórbico contenido en el jugo de naranja, a partir de las dos curvas de calibración realizadas de corriente vs concentración, una por el método de adición estándar, y otra por el método de estándar externo. Se obtuvieron los voltamperogramas por el método de adición estándar y por el método de estándar externo, los cuales representan la corriente vs el potencial del ácido ascórbico cuando se va oxidando. El análisis estadístico de los datos obtenidos en cada una de las curvas de calibración se realizó con el fin de obtener el límite de detección (únicamente para estándar externo), el límite de cuantificación (únicamente para estándar externo), y la sensibilidad de calibración del método analítico empleado en la práctica de voltametría cíclica. La concentración obtenida del ácido ascórbico en el método de voltametría cíclica de estándar externo fue de 0,175 mg/mL La concentración obtenida del ácido ascórbico en el método de voltametría cíclica de adición estándar fue de 0,336 mg/mL Los valores calculados para las concentraciones de ácido ascórbico en el jugo artificial a partir de los métodos de voltametría cíclica por adición estándar y estándar externo están por fuera de los valores reportados por el fabricante del jugo de naranja marca Tree Fruts. REFERENCIAS [1] D.H. Harris. Análisis Químico Cuantitativo. Editorial Reverte. 3 edición. Michelson laboratory China Lake California 2007. [2] Samuel P. Handbook of Instrumental Techniques for Analytical;Chemistry Voltammetric Techniques Tufts University Department of Chemistry 1997. [3] Joshi P.S. (2019). A Brief Study of Cyclic Voltammetry and Electrochemical Analysis. [En línea] Disponible en https://www.researchgate.net/publication/ 329014747_A_Brief_Study_of_Cyclic_Voltammetry_and_ Electrochemical_Analysis.[Acceso 08 de junio de 2019].
