estudio de la influencia de los sitios acidos de las arcillas en la estabilizacion del adn”
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Tesis sobre la adsorción de ADN en arcillas tipo montmorillonitaTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO
DIVISIN DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS
CAMPUS GUANAJUATO
DEPARTAMENTO DE QUIMICA
ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LOS SITIOS ACIDOS DE LAS ARCILLAS EN
LA ESTABILIZACION DEL ADN
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:
QUMICO
PRESENTA:
ADN ULISES QUIROGA ALMAGUER
GUANAJUATO, GTO., AGOSTO DEL 2014.
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Lo que hacemos slo para nosotros, muere con
nosotros; lo que hacemos para los dems y para el
mundo, permanece y es inmortal
- Alberto Pike.
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AGRADECIMIENTOS
Este trabajo es para ti, Ana, que a pesar de todo siempre me ayudas a tu manera, con
todo lo que necesito y sin vacilacin, gracias a ti doy un paso mas, eres la mejor madre que
pude haber deseado.
Al Dr. Gustavo Rangel Porras por su apoyo duran te la realizacin de este proyecto,
que me dio la oportunidad de combinar las reas de mi inters y que me dio a conocer el
rea de la qumica que mas me ha interesado hasta ahora, la ciencia de los materiales.
Muchas gracias a la Dra. Patricia Ponce Noyola, que adems de su total apoyo y
gua al este proyecto me abri las puertas de su laboratorio por bastante tiempo, y tambin
gracia a ello poder concluir mas rpidamente este proyecto. Mencionando tambin al Dr.
Alberto Flores que mientras surge una duda el con destreza resuelve sin problemas
Dedicado a las personas que hice como compaeros y amigos de laboratorios,
empezando por aquellos que se dedican a hacer materiales, como Pedro, que hace amena la
estancia en el laboratorio. No sin menos importancia, los futuros investigadores que
desarrollan su lucha incansable contra los hongos de la pudricin blanca; Coco, que fue la
que me inicio en la historia del ADN, Sandy y su espritu de gua, Csar y su inigualable
humor, Cristhian y su habilidad para distraerme en los ratos de estrs, Cristy y su
optimismo inagotable, Alicia y su alegra de la ovoazcar, sin olvidar a Cho, Elena, Edgar,
Irais y Elas, grandes personas con un carisma sin igual.
Tambin a mis amigos que conoc en Guanajuato, desde que ingrese me he
encontrado con grandes personas, como Adriana y Miguel, mis primeros y grandes amigos,
May una amiga que soporta mis quejas y me da nimos para todo, Dulce Tula que me
ayuda a resolver mis dudas. Sin olvidar a aquellos que por su manera de ser mejoran mi
humor, como Ral y Martn.
Especialmente gracias a esas personas que sin saber de qumica, me resuelven mis
dudas y me guan y apoyan en mis problemas; gracias a Josu por su apoyo incondicional,
Totoro y sus visitas, Jorge y sus regaos, Mariana y Luis Miguel siempre hasta en los
peores momentos.
Este paso tambin es para ti, que me dejaste grandes cosas y que siempre te llevo en
mi mente y corazn, se que a todos nos cuidas desde donde estas, vigila nuestros pasos y
nos veremos pronto Beto.
A mi papa y la familia Quiroga por su apoyo, sin olvidar a los Almaguer.
-
ndice
~ I ~
NDICE
ndice de figuras
III
ndice de tablas
V
Introduccin
1
Hiptesis
1
Objetivo General
2
Objetivos Particulares
2
Justificacin 2
Captulo 1
3
Antecedentes
3
1.1 Importancia de los procesos de Adsorcin de
biomolculas
3
1.2 Estructura del cido Desoxirribonucleico
4
1.3 Adsorcin de ADN en Superficies Inorgnicas
8
1.4 Propiedades de las Arcillas tipo Montmorillonita
17
1.5 Propiedades y Aplicaciones de las arcillas tipo
Montmorillonita
18
1.6 Arcillas Comerciales serie K (K10 y KSF)
20
1.7 Caracterizacin de los Materiales Adsorbentes
20
1.7.1 Espectroscopa Infrarroja FTIR
22
1.7.2 Anlisis termogravimtrico
22
1.7.3 Anlisis de fisisorcin de nitrgeno a 77 K
22
-
ndice
~ II ~
Captulo 2: Desarrollo experimental
25
2.1 Proceso de Intercambio Catinico
25
2.2 Extraccin de ADN de brotes de Ajo
25
2.3 Adsorcin de ADN en montmorillonita
26
2.4 Anlisis del Slido por medio de Electroforesis
26
2.5 Determinacin de sitios cidos de Brnsted
27
2.6 Anlisis Termogravimtrico
27
2.7 Anlisis FTIR
27
2.8 Adsorcin de Nitrgeno a 77 K 27
Captulo 3: Resultados y discusiones
28
3.1 Caracterizacin de los Materiales de Partida
28
3.1.1 Densidad de sitios cidos
28
3.1.2 Microscopa Electrnica de Barrido (SEM)
29
3.1.3 Espectros Infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR) de K10 y
KSF
31
3.1.4 Fisisorcin de nitrgeno de K10 y KSF
32
3.1.5 Anlisis Termogravimtrico (TG) de K10 y KSF 34
3.2 Arcillas modificadas mediante el intercambio con iones de
Sodio
36
3.2.1 Determinacin de sitios cidos en las muestras modificadas
36
3.2.2 Espectros Infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR) de
arcillas K10 y KSF modificadas con Na+
37
-
ndice
~ III ~
3.2.3 Fisisorcin de nitrgeno de arcillas K10 y KSF modificada con
Na+
38
3.2.4 Anlisis Termogravimtrico (TG) de las arcillas K10 y KSF
modificadas con Na+
41
3.3 Interaccin de Biomolculas de ADN con arcillas
Montmorillonita
42
3.3.1 Electroforesis de ADN en arcillas tipo montmorillonita
42
3.3.2 Espectros Infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR) de arcillas montmorillonita con ADN
44
3.3.3 Fisisorcin de nitrgeno de arcillas montmorillonita con ADN
45
3.3.4 Anlisis Termogravimtrico de las arcillas K10-Na y KSF-Na con la incorporacin de molculas de ADN
48
Conclusiones
Bibliografa
51
52
NDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Estructuras moleculares de las bases nitrogenadas que
conforman el ADN. El nmero sobre los tomos muestran su posicin dentro del anillo.
5
Figura 1.2: Representacin de (I) cadena sencilla de ADN con una cadena formada por los enlaces fosfodiester entre los grupos fosfato y
las pentosas y (II) las uniones que tiene la doble cadena con el sentido de cadena 5 3 complementndose con otra cadena en unida
sentido 3 5.
6
Figura 1.3: Capas conformacionales del suelo.
12
Figura 1.4: Estructuras naturales de los tetraedros de xidos de silicio. 14
-
ndice
~ IV ~
Figura 1.5: Estructura laminar de la montmorillonita.
18
Figura 1.6: Tipos de isotermas de adsorcin segn la clasificacin de la IUPAC.
23
Figura 3.1: Microscopa Electrnica de Barrido (SEM) de la arcilla
inicial de K10 (izquierda) y KSF.
29
Figura 3.2: Anlisis semicuantitativo de los elementos de la arcilla
inicial: a) K10 y b) KSF.
30
Figura 3.3: Espectro FTIR de: a) KSF y b) K10.
31
Figura 3.4: Isotermas de adsorcin-desorcin de N2 a 77 K de: a) K10
y b) KSF.
32
Figura 3.5: Curva de distribucin de mesoporos (BJH) para la arcilla K10 y KSF, obtenidos a partir de la curva de adsorcin de N2 a 77 K.
34
Figura 3.6: Curvas de anlisis TG de las arcillas montmorillonitas KSF y K10.
35
Figura 3.7: Esquema que representa la disminucin de sitios cidos en la superficie de un mineral arcilloso posterior a un tratamiento
mediante intercambio inico con sodio.
37
Figura 3.8: Espectro infrarrojo de las arcillas modificadas con Na+; a) KSF-Na y b) K10-Na.
38
Figura 3.9: Isoterma de adsorcin de N2 a 77 K para: a) K10 y b) KSF. Los slidos iniciales (lnea punteada) y solidos modificados con
Na+ (lnea slida).
39
Figura 3.10: Curvas de distribucin de mesoporos para: a) K10 y b)
KSF. Los slidos iniciales (lnea punteada) y solidos modificados con Na+ (lnea slida).
40
Figura 3.11: Curvas de anlisis TG de las arcillas montmorillonitas K10-Na y KSF-Na.
42
Figura 3.12: Electroforesis para el estudio del contenido de ADN en
los slidos: 1) K10, 2) K10-Na, 3) KSF, 4) KSF-Na; as como el correspondiente anlisis de sobrenadante obtenido en el caso de: s1) K10, s2) K10-Na, s3) KSF, s4) KSF-Na.
44
-
ndice
~ V ~
Figura 3.13: Espectros FTIR en el rango de las muestras: a) K10
+ADN, b) KSF-Na+ADN, c) KSF+ADN y d) K10-Na +ADN.
45
Figura 3.14: Isoterma de adsorcin de N2 a 77 K para las muestras con ADN: a) K10 y b) KSF. Los slidos iniciales (lnea punteada) y
solidos modificados con Na+ (lnea slida).
46
Figura 3.15: Curvas de distribucin de mesoporos para las arcillas con la inclusin de ADN: a) K10 y b) KSF. Los slidos iniciales (lnea punteada) y solidos modificados con Na+ (lnea slida).
47
Figura 3.16: Curvas de anlisis TG de las arcillas con la
incorporacin de ADN: a) K10 y b) KSF. Los slidos iniciales (lnea punteada) y los slidos con iones de sodio intercambiados (lnea continua).
49
Figura 3.17: Esquema que representa la posible interaccin de una
molcula de ADN con la superficie de una arcilla.
50
NDICE DE TABLAS
Tabla 1.1: Caractersticas estructurales de las diferentes conformaciones del ADN.
7
Tabla 1.2: Clasificacin estructural de los silicatos.
13
Tabla 1.3: Clasificacin de las Arcillas.
16
Tabla 1.4: Compuestos inorgnicos pertenecientes al grupo de las esmectitas.
17
Tabla 1.5: Composicin qumica de las arcillas KSF y K10.
21
Tabla 3.1: Densidad de sitios cidos para KSF y K10.
28
Tabla 3.2: Relacin en porcentaje masa de los elementos presentes en
cada uno de las arcillas de partida.
30
Tabla 3.3: rea superficial y porosidad de los minerales de partida K10 y KSF determinados a partir de los datos de adsorcin de Nitrgeno a 77 K.
33
Tabla 3.4: Prdida de peso registrada en TG para KSF y K10. 36
-
ndice
~ VI ~
Tabla 3.5: Densidad de sitios cidos para de KSF y K10 modificadas con el intercambio con sodio.
37
Tabla 3.6: rea superficial y porosidad de las arcillas K10 y KSF modificadas con sodio, determinados a partir de los datos de adsorcin
de Nitrgeno a 77 K.
40
Tabla 3.7: Prdida de peso registrada en TG para K10-Na y KSF-Na.
41
Tabla 3.8: rea superficial y porosidad de las arcillas K10 y KSF
modificadas con sodio, despus de la incorporacin de molculas de ADN.
48
Tabla 3.9: Datos del Anlisis Termogravimtrico para las muestras con la inclusin de ADN.
49
-
Introduccin
1
INTRODUCCIN
La interaccin de molculas de cidos desoxirribonucleicos (ADN) con superficie
de slidos inorgnicos ha atrado mucha atencin desde el punto de vista de estudios
tericos como investigacin aplicada en varios campos. Por ejemplo, se ha reportado el uso
de ADN como plantillas de biopolmeros para la construccin de materiales inorgnicos
con estructura definida. Tambin, se han estudiado materiales porosos para la separacin de
este tipo de molculas, para estudios genticos o farmacuticos. De manera particular, la
interaccin de ADN con arcillas o minerales arcillosos es de particular importancia en el
campo de la prebitica, ya que se ha considerado que es el medio ideal para llevar a cabo la
polimerizacin de fragmentos pequeos para la produccin de macromolculas biolgicas.
En el medio ambiente se considera que la interaccin de estas molculas con las arcillas
determina un papel primordial en la transferencia de informacin gentica entre bacterias.
Varios autores han reportado estudios de adsorcin de ADN en arcillas localizadas en una
zona geogrfica determinada. Sin embargo, generalmente no se reporta las caractersticas
del mineral que tienen mayor influencia en la retencin de dichas molculas sobre su
superficie. En este trabajo se llev a cabo el estudio de la interaccin de molculas de ADN
obtenidas de la raz de ajo, sobre la superficie de dos arcillas comerciales. Las arcillas
utilizadas en el presente estudio son de tipo montmorillonita, pero con caractersticas
diferentes entre las que destaca el rea superficial y la naturaleza de sitios cidos en su
superficie. Las arcillas fueron modificadas mediante la incorporacin de iones de sodio en
un proceso de intercambio catinico. La presencia y preservacin de ADN al contacto con
el slido suspendido en agua, se determin mediante anlisis por electroforesis en un gel de
agarosa. El slido fue caracterizado antes y despus del proceso de adsorcin mediante
tcnicas como: microscopa electrnica de barrido (SEM) con estudios de energa de
dispersin de rayos-X (EDS), espectroscopa de infrarrojo con transformada de Fourier
(FTIR), adsorcin de nitrgeno a 77 K, y anlisis Termogravimtrico (TG).
HIPTESIS
La adsorcin de ADN en la superficie de una arcilla no solamente depende de la
estructura y del tipo de slido, sino tambin de caractersticas superficiales como el tipo de
sitios cidos del material, y la densidad de estos. La fuerza de los sitios de adsorcin puede
variar dependiendo del ion intercambiable presente, lo que causar variacin en la
interaccin del material con el ADN.
-
Introduccin
2
OBJETIVO GENERAL
Estudiar la influencia de la naturaleza y densidad de los sitios cidos en una arcilla
tipo montmorillonita en la inmovilizacin de molculas de ADN.
OBJETIVOS PARTICULARES
Determinar las variacin en las caractersticas estructurales y superficiales de
una arcilla montmorillonita al incorporar iones de sodio en sus sitios de
intercambio.
Determinar el mecanismo de interaccin entre ADN y las arcillas tipo
montmorillonita comerciales y aquellas modificadas mediante intercambio
catinico.
JUSTIFICACIN
El estudio de la interaccin de molculas de ADN y arcillas o minerales arcillosos
es de gran importancia debido a que son materiales presentes en el suelo y por lo tanto,
tienen un papel primordial en la dinmica de muchos procesos de difusin o transferencia
de compuestos orgnicos. Adems, las arcillas, por su estructura, tienen propiedades muy
interesantes que permiten la fijacin de especies qumicas mediante diferentes mecanismos.
Adicionalmente son materiales econmicos para ser utilizados en procesos de separacin o
purificacin. Este proyecto ayudara a comprender la interaccin del ADN en la superficie
de arcillas montmorillonita, principalmente el papel de los sitios cidos en el proceso de
adsorcin de estas biomolculas. Adicionalmente se pretende conocer la posibilidad que
tienen el uso de arcillas para la separacin y preservacin de ADN para su aplicacin en
estudios de biologa molecular.
-
Captulo I
3
CAPTULO I
ANTECEDENTES
1.1 Importancia de los procesos de Adsorcin de Biomolculas.
La adsorcin es un proceso de separacin y concentracin de uno o ms
componentes de un sistema sobre una superficie slida o lquida. Los distintos sistemas
heterogneos en los que puede tener lugar la adsorcin son: slido-lquido, slido-gas y
lquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen
selectivamente entre ambas fases. La sustancia que se concentra en la superficie o se
adsorbe se llama adsorbato y la fase que va a adsorber se llama adsorbente. En
contraparte la absorcin es un proceso en el cual las molculas o tomos de una fase
interpenetran casi uniformemente en los de la otra fase constituyndose una solucin con
esta segunda. El proceso de cambio inico supone un intercambio de una sustancia o in
por otra sobre la superficie del slido. La principal distincin entre sorcin (adsorcin y
absorcin) y cambio inico es que las ecuaciones que describen la sorcin consideran
solamente una especie qumica, de manera que la distribucin del soluto entra la disolucin
y el slido responde a una relacin simple, lineal o no. Las ecuaciones para el cambio
inico tienen en cuenta todos los iones que compiten por los lugares de intercambio.
La adsorcin que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama
generalmente adsorcin fsica o fisisorcin. En estos casos, la molcula adsorbida no est
fija en un lugar especfico de la superficie, sino ms bien est libre de trasladarse dentro de
la interfase. Esta adsorcin, en general, predomina a temperaturas bajas. Si el adsorbato
sufre una interaccin qumica con el adsorbente, el fenmeno se llama adsorcin qumica,
adsorcin activa o quimisorcin. Las energas de adsorcin son elevadas, del orden de las
de un enlace qumico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en
los centros activos del adsorbente. Esta adsorcin suele estar favorecida a una temperatura
elevada. La mayor parte de los fenmenos de adsorcin son combinaciones de las tres
formas de adsorcin y, de hecho, no es fcil distinguir entre adsorcin fsica y qumica.
La capacidad final del adsorbente para un determinado soluto puede utilizarse o no
plenamente en las condiciones del proceso real. En el lmite, se establece un equilibrio entre
la concentracin del adsorbato en disolucin y la masa del mismo adsorbida por unidad de
masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relacin de equilibrio se puede
-
Captulo I
4
formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es
importante el carcter ms o menos polar de las molculas de adsorbato, as como el
tamao de las mismas. Se puede decir que el soluto se adsorber ms fcilmente cuando la
afinidad de aqul por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente. Por tanto, la
energa de unin entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de
los solutos que han de adsorberse. La adsorcin depende de tres factores fundamentales: 1)
las caractersticas del adsorbato, 2) propiedades superficiales de slido adsorbente y 3)
condiciones del medio de reaccin. Por lo tanto, para determinar si un compuesto podr ser
retenido en un slido especfico, es necesario conocer aspectos de la qumica y fsica del la
superficie del material. Estas caractersticas comprende la presencia de sitios cidos de
Lewis o Brnsted, el potencial Z a determinadas condiciones del sistema de reaccin, el
tamao de los poros, el rea superficial disponible, etc.
El estudio de los procesos de adsorcin de biomolculas sobre la superficie de
materiales inorgnicos es un tema recurrente en muchas reas de investigacin, debido a las
mltiples aplicaciones que representa tales como: tratamiento de agua, separacin de
productos de reaccin, sensores qumicos, sistemas agroqumicos, bioprocesos,
clarificacin de vinos, inmovilizacin de enzimas, liberacin controlada de frmacos, etc.
Una amplia variedad de materiales inorgnicos, tanto sintticos como naturales presentan
una buena capacidad de retencin de compuestos orgnicos. El estudio de la interaccin
entre diversos slidos y molculas de ADN ha cobrado gran importancia en los ltimos
aos, debido a su posible potencial aplicacin en diversos campos tales como son: procesos
de recuperacin para su aplicacin en modificaciones genticas, estudios prebiticos,
sensores qumicos, purificacin de biomolculas, dinmica de compuestos en el suelo, etc.
Como se mencion en prrafos anteriores, la adsorcin de un compuesto sobre la
superficie de un slido, involucra principalmente el conocimiento de las caractersticas
qumicas de la molcula a adsorber, as como de la naturaleza del material adsorbente.
1.2 Estructura del cido Desoxirribonucleico.
El ADN es una molcula biorgnica muy importante para la vida, ya que es
responsable de proporcionar la secuencia correcta de informacin para la formacin y
desarrollo de un organismo durante toda su vida, es la molcula que se encarga de regular
el desarrollo de un organismo y adems proporcionar la herencia gentica que los
organismos son capaces de poder transmitir a su descendencia por medio de su replicacin
y su posterior transcripcin y traduccin.
-
Captulo I
5
Adenina (A) Guanina (G) Timina (T) Citosina (C)
La biomolcula de ADN es un biopolmero constituido por monmeros llamados
nucletidos, estos monmeros estn conformados por una base nitrogenada, un grupo
fosfato y un azcar. Principalmente existen dos tipos de bases nitrogenadas, estas pueden
ser tipo pirimidnica o tipo prica, son llamadas de esta manera debido a que son molculas
anlogas a la pirimidina y a la purina, la base nitrogenada est unida a una molcula de
ribosa (azcar con conformacin de pentosa), para el ADN esta pentosa perdi el oxigeno
unido a su carbono 2 y es conocida como desoxirribosa.
La adenina (A) y guanina (G) son bases puricas, mientras que la timina (T) y
citosina (C) son las bases pirimidnicas que conforman la estructura del ADN (Figura 1.1).
Figura 1.1: Estructuras moleculares de las bases nitrogenadas que conforman el
ADN. El nmero sobre los tomos muestran su posicin dentro del anillo [Tomada y
modificada de Yang y col., 2010].
Un nucletido de ADN se conforma de una molcula de desoxirribosa con una base
nitrogenada unida al carbono 1 del azcar y el hidroxilo 5 de cada unidad de
desoxirribosa, que est unida a un grupo fosfato por enlace ester, que a su vez se une al
carbono 3' de otra molcula de la desoxirribosa de otro nucletido. La agrupacin
consecutiva de estos nucletidos conforma una cadena de ADN que puede ser de longitud
variable, los nucletidos forman una cadena sencilla polianionica en un sentido 5 3.
Las cadenas sencillas de ADN en presencia de condiciones fisiolgicas favorecen
una estructura molecular que consiste en una cadena helicoidal doble, esta cadena est
constituida por dos cadenas lineales de nucletidos y estn unidas entre las bases por medio
de puentes de hidrogeno, la unin entre bases ocurre en sentido anti-paralelo (Figura 1.2).
-
Captulo I
6
(I) (II)
Figura 1.2: Representacin de (I) cadena sencilla de ADN con una cadena formada
por los enlaces fosfodiester entre los grupos fosfato y las pentosas y (II) las uniones que
tiene la doble cadena con el sentido de cadena 5 3 complementndose con otra cadena
en unida sentido 3 5 [Tomada y modificada de Yang y col,. 2010].
La explicacin a las uniones entre nucletidos fue descrito en el modelo llamado
comnmente como pareo de bases Watson Crick, que como ya se menciono
anteriormente, propone que la unin entre cadenas posee un sentido de 5 a 3 para una
cadena sencilla que se encuentra unida a otra cadena que va de 3 a 5 permitiendo que las
dos cadenas puedan enrollarse en torno a un eje imaginario con sentido dextrgiro.
La estructura de la doble cadena de ADN es atribuida a las bases nitrogenadas, ya
que estas bases se acomodan de tal manera que las bases pirimidnicas interaccionan por
medio de puentes con los hidrgenos de las bases puricas y viceversa, cumpliendo siempre
con el apareamiento de bases de la siguiente manera: adenina (A) se une con timina (T) y la
guanina (G) siempre se une a la citosina (C). La estabilidad de esta estructura de doble
cadena helicoidal es atribuida tambin a las interacciones - entre los anillos aromticos
hidrofbicos de las bases adyacentes de las cadenas de nucletidos proporcionndole mayor
estabilidad [Yang y col., 2010].
-
Captulo I
7
La estabilidad del ADN est fuertemente ligado con la cantidad de pares de bases
nitrogenadas que lo conforman pero las condiciones del medio puede modificar su
estructura, por ejemplo, el ADN en condiciones fisiolgicas se encuentra compactado en el
ncleo de las clulas por protenas, pero si el ADN se encuentra en solucin, dependiendo
de las condiciones de esta solucin, el ADN puede encontrarse en una conformacin
diferente en lo que respecta al acomodo de la doble hlice, este fenmeno depende de la
hidratacin o la fuerza inica del medio en el cual estn suspendidas las biomolculas
[Leningher, 1985].
Existen principalmente tres tipos de estructuras moleculares del ADN, la estructura
del tipo A que se caracteriza por su hlice compacta dextrgira, la estructura de tipo B se
encuentra en condiciones fisiolgicas y el sentido dextrgiro, la estructura tipo Z posee
enrollamiento levgiro y es observada en condiciones de alta fuerza inica (en soluciones
de NaCl 2.5 M). Las caractersticas estructurales de cada forma estn resumidas en la
Tabla 1.1.
Tabla 1.1: Caractersticas estructurales de las diferentes conformaciones del ADN
[Tomada de Yang y col., 2010].
Propiedades A-ADN B-ADN Z-ADN
Sentido de la hlice derecha derecha Izquierda
Inclinacin (residuos por vuelta) 11 10 12
Longitud / residuos 2.55 3.4 3.7
Rotacin / residuos 32.7 36.0 -60/2 pb
Inclinacin de pb hacia el eje 22.6 2.8 0.1
Adems de conocer las caractersticas de las molculas ADN, es importante el
estudio del ADN como molcula orgnica, y como toda molcula, posee diferentes
propiedades fisicoqumicas que ayudan a comprender mejor la interaccin entre el ADN y
su entorno.
-
Captulo I
8
La molcula de ADN posee propiedades fisicoqumicas como [Leningher, 1985;
Acharya, 2006]:
Carcter aromtico: bases nitrogenadas con anillos de dobles enlaces en posicin
conjugada, poseen la capacidad de absorber luz en 260 nm, lo cual determina el
coeficiente de extincin del ADN y permite determinar la concentracin existente
de los cidos nucleicos en solucin.
Tautomera o isomera de grupos funcionales: los tomos de hidrgeno unidos a
otro tomo puede migrar a una posicin vecina; en las bases nitrogenadas existen
dos posibilidades de tautomeras que pueden tomar las molculas: tautomera
lactama - lactima.
Carcter polar: las bases poseen tomos muy electronegativos (nitrgeno y
oxgeno) con carga parcial negativa, y tomos de hidrgeno con carga parcial
positiva, con la capacidad de formar dipolos que permiten la existencia de enlaces
dbiles.
Estas propiedades son utilizadas para el manejo del ADN y su manipulacin
despus de su adsorcin en diferentes materiales, en los cuales, por medio del cambio en las
propiedades fisicoqumicas del ADN se desarrollan experimentos en los cuales se pretende
controlar extracciones, transcripciones, degradacin, mutaciones y replicaciones en los
ecosistemas o en las condiciones fisiolgicas de algunos organismos por medio de la
interaccin slido-ADN [Leningher, 1985: Mignon y col., 2009; Acharya, 2006; Trevors,
1996].
1.3 Adsorcin de ADN en Superficies Inorgnicas.
Las caractersticas fisicoqumicas de las molculas de ADN son utilizadas para la
fijacin sobre materiales que poseen naturalezas qumicas distintas, estas caractersticas del
ADN interaccionan por medio de diferentes mecanismos para lograr fijarse y lograr una
estabilizacin sobre las diferentes superficies de las matrices, la variedad de investigaciones
que se han realizado sobre la fijacin de ADN engloba desde simples experimentos de
fijacin de bases nitrogenadas hasta experimentos que involucran la inmovilizacin y la
conservacin del ADN en diferentes matrices inorgnicas.
El estudio de estos fenmenos de adsorcin proporciona informacin para
comprender una gran variedad de temas complejos, como las posibilidades de que el ADN
exista en matrices inorgnicas que no poseen condiciones fisiolgicas y aun as conserve
sus propiedades qumicas para su posterior utilizacin.
-
Captulo I
9
La interacciones entre ADN y adsorbato depende de la naturaleza del slido con el
que entre en contacto, estudios tericos sugieren posibles mecanismos de interaccin entre
las bases nitrogenadas y diferentes slidos inorgnicos, adems de que se postulan teoras
sobre la fijacin que ocurriran con el ADN en diferentes tipos de slidos [Trevors, 1996],
tambin existen estudios realizados sobre la interaccin del ADN sobre materiales de
diferente naturaleza y estos reportes aportan datos sobre su adsorcin y sus posibles
mecanismos de conservacin, ya que la interaccin del ADN con diferentes solidos
delimita las caractersticas que un slido debe poseer para que se lleve a cabo una
interaccin eficiente con esta biomolcula y posteriormente generar informacin terica
sobre los mecanismos de fijacin que realiza el ADN para su estabilizacin y conservacin,
ya sea que se las biomolculas se fijen sobre la superficie del material o en los diferentes
espacios internos, como lo son los poros, de estos slidos adsorbentes.
La adsorcin de ADN en diferentes slidos ha tomado relevancia en la
investigacin. Sobre todo en la adsorcin sobre solidos inorgnicos, ya que son sencillos de
obtener y la fijacin sobre estos materiales inorgnicos ha tomado relevancia por la gran
variedad de aplicaciones y usos en diversas reas, existen diferentes aplicaciones para las
cuales el ADN es adsorbido sobre una superficie, tales como: el estudio sobre las
condiciones primordiales de la tierra para generar teoras sobre las condiciones prebiticas
del inicio de la vida [Cai y col., 2006], tambin para estudios de preservacin de ADN en la
degradacin de DNasas [England y col, 1998], purificaciones de ADN para modificaciones
genticas en microorganismos [Ogram y col., 1988; Li y col., 2011] o compuestos que
preserven el material gentico para su uso en terapias gnicas [Elimelech y col., 2010],
sensores qumicos de molculas mutagnicas [Bhattacharyya y col., 2008], anlisis de ADN
sobre suelos para estudios forenses [Burzlaff y col., 2004], etc.
Las investigaciones abarcan un gran nmero de materiales de diferente naturaleza,
aunque la mayor parte de las investigaciones utilizan materiales inorgnicos como
hidrotalcitas [Yang y col., 2010], xidos o iones metlicos [Khalil y col., 2002; Uddin,
2008], grafeno e incluso componentes del suelo [Sanderson y col., 2013]. Slidos
inorgnicos como las hidrotalcitas que se componen qumicamente de esta manera; [MII1-
xMIII
x(OH)2]An- H2O, donde M
II es un metal divalente como el Mg2+ y MIII es un catin
trivalente como lo es el Al3+ y los aniones de las capas interlaminares estn representados
con An-. La carga positiva de las hidrotalcitas es generada por las sustituciones isomorficas
de Mg2+ por Al3+ y compensada por aniones como nitratos, haluros y agua. Las
hidrotalcitas tambin son utilizadas para la retencin de ADN con propsitos de terapias
gnicas, ya que estos solidos inorgnicos pueden ser degradados fcilmente por los fluidos
cidos de un organismo despus de llegar al lugar deseado. Las hidrotalcitas son capaces de
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Captulo I
10
retener el ADN en los espacios interlaminares por medio de intercambio aninico y el ADN
puede ser desorbido fcilmente por cambios de pH cidos [Choy y col., 2007; Carell y col.,
2007; Fornaro y col., 2013].
Materiales como los xidos metlicos tienen un papel importante para la
determinacin de las condiciones aptas para la vida, ya que una de las condiciones tericas
del origen de la vida menciona la influencia de los xidos metlicos como uno de los
materiales adsorbentes y catalizadores que influyeron en la formacin de biomolculas
como el ADN, por ejemplo el Mg2+ acta como cofactor en ribozimas, adems de participar
en el metabolismo celular, asiste en el plegamiento del RNA, promueve la formacin de
nucleobases y carbohidratos (ribosa), adems de poseer la capacidad de coordinarse con
seis oxgenos para estabilizar enlaces di y trifosfatos de los nucletidos [Fornaro y col.,
2013].
El MgO posee capacidad para adsorber bases nucleicas con el siguiente orden de
afinidad: adenina > uracil hipoxantina > citosina mientras que el TiO2 posee mayor
afinidad por adenina y citosina en lugar de la hipoxantina y uracilo [Yang y col., 2010].
Los xidos metlicos ofrecen diversos mecanismos de interaccin con el ADN,
desde la formacin de complejos hasta la unin directamente con el ADN [Liu y col., 2011;
Shamsi y col., 2012; Franchi y col., 2003], aunque la influencia de los metales afecta
directamente al ADN modificando su estructura, cambindolo de forma A a la forma B e
incluso Z [Lin y col., 2006]. El ADN posee mayor afinidad por metales en forma de iones
divalentes, como Ca2+, Mg2+, Co2+ y Zn2+ y tambin metales monovalentes como Na+ y K+
[Liu, 2012; Liu y col., 2013]. Los metales preferidos por el ADN son el Ca y el Mg, que al
modificar un slido y agregarlos en su forma de catin divalente, aumenta la adsorcin de
ADN. Tambin metales preciosos como lo es el oro, son utilizados como nanopartculas, en
especfico las nanopartculas de oro son utilizadas para la adsorcin de ADN, las cuales
tambin son utilizados como biosensores [Lei y col., 2011].
Los materiales que son utilizados como biosensor de ADN son costosos, por ellos se
buscan alternativas ms accesibles, uno de estos materiales es el grafeno, pero no solo es
utilizado como biosensor, en algunas investigaciones se utiliza el xido de grafeno para la
hibridacin de ADN por medio de la adsorcin de ssADN y despus la interaccin con
cADN planteando posibles mecanismos de interaccin, como el mecanismo de Langmuir-
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Captulo I
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Hinshelwood en el cual se adsorben los dos tipos de ADN y se hibridan en la superficie del
xido de grafeno, otra opcin consiste en la hibridacin por el modelo de Eley-Ridle en el
cual no se adsorbe el cADN y reacciona sobre la superficie con el ssADN para despus
liberarlo y por ltimo el mecanismo en el cual son adsorbidos los dos tipos de ADN pero se
hibridan en la solucin [Solberg y col., 2006].
El xido de grafeno es capaz de proteger al ADN de doble cadena ante la accin de
DNasas como EcoR II, DNase I y Bal 31, aunque las interacciones entre el xido de
grafeno y el ADN pueden romperse por medio de detergentes como el tritn X-100.
[Nuwaysir y col., 1999]. Algunos materiales ms abundantes y no tan costosos son
utilizados tambin, un buen ejemplo es la slice. Se realizan pruebas en materiales como la
slice por su nula respuesta inmune [Solberg y col., 2006]. Los estudios de adsorcin sobre
materiales de slice se enfocan a su uso como materiales de soporte para terapias gnicas, se
han logrado sintetizar esferas de slice porosas, esos poros son ocupados por el ADN
[Nuwaysir y col., 1999], tambin la slice vitrificada se ha utilizado como soporte para
microarreglos [Brown y col., 1999].
Existe otra matriz inorgnica en la cual el ADN es retenido, esta matriz es el suelo,
que a pesar de que es una matriz compleja con una gran cantidad de sitios activos a los que
se puede unir el ADN, todo el tiempo se llevan a cabo procesos de adsorcin de ADN, sin
importar su naturaleza o propiedades otorgadas por la regin en la que se encuentra, la
informacin que aportan las interacciones de molculas con el suelo define las condiciones
y propiedades que son aptas para una retencin ptima e identificar las caractersticas que
un slido debe tener, en el caso del ADN, para evitar su degradacin y de esta manera
conservarlo para su posterior utilizacin por los organismos que viven en los diferentes
estratos del suelo [Saeki y col., 2011].
En el suelo, el ADN es retenido por medio de diferentes propiedades, en las cuales
se han atribuido al contenido de metales en el suelo, al contenido de materia orgnica y el
pH como principales factores. El ADN que se encuentra en el suelo es originario de
organismos superiores y microrganismos presentes en el medio ambiente, que al morir las
clulas se lisan y liberan el material gentico, que se deposita en el suelo e interacciona con
las diferentes molculas que se encuentran en los diferentes estratos del suelo. Cuando las
clulas se lisan y liberan el ADN dependiendo de las condiciones existentes en suelo, puede
adsorberse y ser preservado para posteriormente ser utilizado de diferentes maneras por los
organismos.
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Captulo I
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Limo: (0.050 a 0.002 mm)
Arcilla: (< 0.002 mm)
Arena: (2 mm a 0.050 mm)
Grava: (> 2 mm)
Al ocurrir el fenmeno de adsorcin, el ADN logra ser retenido con una mnima
degradacin o tambin es estabilizado y no presenta degradacin, es utilizado por
microorganismos competentes capaces de asimilarlo, las cadenas de ADN pueden ser
reutilizados por diferentes organismos del suelo o completamente degradado para ser
utilizado como fuente de C, N y P por organismos heterotrpicos [Elimelech y col., 2010].
Estudios de fijacin del ADN en el suelo proponen que esta biomolcula es utilizada
como material informtico que incorporan los diversos organismos para adaptarse a un
medio hostil. El suelo es una matriz muy compleja compuesta principalmente de materiales
inorgnicos, los componentes ms abundantes del suelo son los xidos metlicos,
principalmente de xidos de silicio y xidos de aluminio, estos xidos constituyen el
soporte del suelo, estos xidos metlicos poseen caractersticas que favorecen la retencin
de molculas orgnicas e inorgnicas. La retencin de estas molculas en el suelo depende
de la estructura de los adsorbatos, la carga que posea el adsorbatos, la cantidad de materia
orgnica en el suelo, tamao molecular del adsorbato, etc. [Pietramellara y col., 2007;
Elimelech y col., 2010].
El suelo se constituye de diferentes estratos (Figura 1.3), que a su vez actan como
un filtro que retiene o permite el paso de diferentes compuestos a las diferentes
estratificaciones, estas capas de suelo se clasifican dependiendo de su tamao de partcula,
las partculas con un tamao mayor a 2 mm se les llama grava, partculas con un tamao en
el rango de 2 mm hasta 0.05 mm es conocido como arena, las que poseen un rango de 0.05
hasta .002 mm es considerada como limo y finalmente las arcillas, que poseen un tamao
de partcula, que corresponde a un rango menor a .002 mm [Tan, K. H.; (1998), Flessner y
col., 2001].
Figura 1.3: Capas conformacionales del suelo [Tomado y modificado de Meunier, 2003].
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Captulo I
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Las diferentes partculas que forman las diferentes capas del suelo estn constituidas
por xidos de silicio y xidos de aluminio, aunque en los xidos de silicio se llevan a cabo
una mayor retencin de compuestos orgnicos e inorgnicos. Generalmente las molculas
de xidos de silicio poseen forma tetradrica, pero estos xidos pueden poseer estructuras
conglomeradas naturales muy variadas y diferentes entre s, una de las cuales se destaca un
tipo estructural en especfico que presenta el suelo abundantemente, este grupo son los
filosilicatos. Los diferentes tipos de silicatos se enlistan en la Tabla 1.2.
Tabla 1.2: Clasificacin estructural de los silicatos [Tomada de Rangel, 2010].
Tipo de silicato Caractersticas Minerales
Ciclosilicatos Anillos cerrados o anillos dobles
de tetraedros
Tourmalina, beniotita
Inosilicatos Cadenas sencillas o dobles de
tetraedros
Amfibola, piroxeno,
hornablendita
Nesosilicatos Tetraedros aislados Gamet, olivina, zircn,
topacio
Filosilicatos Hojas de tetraedros Clorita, vermiculita, illita,
caolinita, esmectita
Sorosilicatos Dos o ms tetraedros enlazados Epidota
Tectosilicatos Arreglo de tetraedros Feldespatos, cuarzo, zeolita
La tabla muestra que los silicatos poseen una conformacin estructural diferente a
pesar de que posean como unidad estructural el tetraedro de xido de silicio, estas
conformaciones les otorgan propiedades diferentes entre s.
Las arcillas que son silicatos con estructura de hojas o tambin llamados
filosilicatos, otro componente principal son las zeolitas que son conglomerados de
tetraedros de xido de silicio o tectosilicatos, aunque en menor abundancia que las arcillas
[Tan, K. H.; (1998)]. Las estructuras de los compuestos conformados por xidos de silicio
son mostradas en la figura 1.4.
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Captulo I
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Figura 1.4: Estructuras naturales de los tetraedros de xidos de silicio.
Los ya mencionados filosilicatos, derivan una gran cantidad de compuestos, pero un
subgrupo lo forman los filosilicatos pertenecientes al tipo esmectita que se caracterizan por
su composicin estructural laminar de xidos de silicio, los slidos esmectita se dividen en
grupos basados en el nmero de capas o laminas que las conforman, tambin en el tipo de
la estructura conformacional, como son los tetraedros o los octaedros [Flessner y col.,
2001].
Las arcillas son esmectitas, pertenecientes a los filosilicatos y son los componentes
ms importantes del suelo, ya que sobre las arcillas se llevan a cabo los procesos de fijacin
de compuestos orgnicos e inorgnicos, existe una gran variedad de arcillas y estas se
clasifican de acuerdo a su estructura, ya que las arcillas pueden estar conformadas por dos o
ms capas, como por ejemplo; las arcillas bilaminares (Tetradrica:Octadrica),
trilaminares (Tetradrica:Octadrica:Tetradrica), tambin se clasifican de acuerdo a su
conformacin tetradrica u octadrica. A la unin entre una capa octadrica y una o ms
tetradricas se le denomina lmina (Tabla 1.3).
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Captulo I
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Algunas investigaciones reportan que las arcillas son los slidos que mejor
adsorcin de compuestos presentan, tanto de molculas orgnicas y molculas inorgnicas.
Existen investigaciones que hablan sobre la interaccin del ADN con algunos tipos de
arcilla y tambin reportan los factores que afectan su conservacin, por ejemplo: unos
autores comparan la selectividad de la adsorcin de ADN en presencia de impurezas
provenientes de restos celulares [Cai y col., 2008], algunos reportan, la eficiencia de
adsorcin dependiendo del catin intercambiado en el slido como puede ser Ca2+, Mg2+,
Co2+ y Zn2+ [Choy y col., 2007], as como tambin la influencia del grado de hidroxilacin
con especies de aluminio [Cai y col., 2009], algunas investigaciones mencionan que la
retencin de ADN se favorece con la presencia de algunos metales, aun que este tipo de
interacciones modifica la estructura del ADN [Yvarson y col., 1982; Essington, 2004].
Dentro de las arcillas, la familia perteneciente al grupo esmectita se caracterizan por
estar estructuradas por molculas octadricas y tetradricas agrupadas capas, estas capas
son tetraedros (T) y octaedros (O), dependiendo de la cantidad de estas capas que posea se
deriva en diferentes tipos de esmectitas (Tabla 1.4).
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Tabla 1.3: Clasificacin de las Arcillas [Tomada de Rangel, 2010].
Dioctadricas Trioctadricas
Bilaminares
T : O
1 : 1
Canditas Caolinita Serpentina Antigorita
Crisotilo
Lizardita
Bertierina
Nacrita
Dickita
Halloisita
Trilaminares
T : O : T
2 : 1
Pirofilita Talco Saponita
Esmectitas Montmorillonita
Beidelita Esmectitas Hectorita
Nontronita
Vermiculitas Vermiculitas
Illitas Moscovita
Micas Biotita
Flogopita
Lepidolita Micas Paragonita
T : O : T : O
2 : 1 : 1
Cloritas
Fibrosos Paligorskita Sepiolita
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Tabla 1.4: Compuestos inorgnicos pertenecientes al grupo de las esmectitas
[Tomada de Rangel, 2010].
Dioctadricas Trioctadricas
Montmorillonita
(M+
y nH2O)(Al3+
2-y,Mg2+
y)
Si4+
4O10(OH)2
Hectorita
(M+
y nH2O)(Mg2+
3-y,Li+
y)
Si4+
4O10(OH)2
Beidelita
(M+
xnH2O)Al3+
2
(Si4+
4-x Al3+
x)O10(OH)2
Saponita
(M+
x nH2O)Mg2+
3
(Si4+
4-xAl3+
x)O10(OH)2
Nontronita
(M+
xnH2O)Fe3+
2
(Si4+
4-xAl3+
x)O10(OH)2
Sauconita
(M+
x nH2O)Zn2+
2
(Si4+
4-xAl3+
x)O10(OH)2
Volkonskoita
(M+
xnH2O)Cr3+
2
(Si4+
4-xAl3+
x)O10(OH)2
Lo que diferencia radicalmente a estos slidos es el contenido de diferentes metales
en su estructura, en la siguiente tabla se muestra la composicin qumica de diferentes
slidos pertenecientes al grupo de las esmectitas. Un gran nmero de hidroxisilicatos de
sodio, calcio y aluminio hidratados pertenece al grupo de las esmectitas trioctadricas, pero
un compuesto a resaltar de esta gran variedad de compuestos son los slidos inorgnicos de
nombre montmorillonita [Flessner y col., 2001; Trans, P.; (1948)].
1.4 Propiedades de las Arcillas tipo Montmorillonita.
Las arcillas poseen un tamao de partcula menor a 2 m, la estructura de las
arcillas consiste en un apilamiento de planos de molculas constituidas principalmente de
silicio, oxigeno e hidrogeno. Estn conformadas por xidos de silicio (SiO4)4- que se unen
enlazando tres de sus cuatro oxgenos formando las unidades estructurales tetradricas de
las arcillas y estas a su vez se organizan en capas de extensin infinita formando hexgonos
con frmula (Si2O5)2-.
Las capas tetradricas estn unidas a capas octadricas de aluminio (Al3+) o
magnesio (Mg2+), que pueden estar intercambiados por Fe2+ o Fe3+ aunque tambin puede
contener, aunque menos frecuente, metales como Li+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ o Cr3+. El
plano de unin entre capas est formado por los oxgenos de los tetraedros que no se
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Captulo I
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comparten entre los otros tetraedros (oxgenos apicales) y por grupos hidroxilo de las capas
octadricas.
Figura 1.5: Estructura laminar de la montmorillonita.
Las arcillas tipo Montmorillonita se caracterizan por estar constituidas de dos capas
tetradricas de xidos de silicio y una capa octadrica de xidos de aluminio, con una
composicin qumica (Na, Ca)0.33(Al, Mg)2(Si4O10)(OH)2 nH2O. Posee un espacio
interlaminar que oscila en los 14 y puede poseer intercambios isomorficos del aluminio o
magnesio en las capas octadricas que provocan una descompensacin de carga por metales
como el Fe2+ o el Fe3+, estas arcillas poseen iones como Mg2+, Fe2+, Ca2+, Na+ y K+ que
cumplen la funcin de cationes intercambiables que estabilizan las cargas negativas
generadas por las sustituciones isomorficas metlicas, estas caractersticas le permiten
interaccionar con diferentes molculas y es utilizado como material adsorbente o
catalizador (Figura 1.5).
1.5 Propiedades y Aplicaciones de las arcillas tipo Montmorillonita.
Las arcillas montmorillonitas son utilizadas para adsorber una gran cantidad de
compuestos, ya que sus iones intercambiables y sitios cidos proporcionan la suficiente
fuerza entre molculas para que compuestos tanto inorgnicos y orgnicos puedan
interactuar, tambin es importante el rea superficial, que mientras mayor sea, mayor ser.
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Captulo I
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Los cationes y los sitios cidos crean interacciones intermoleculares y dependiendo
del nmero de sitios activos, mayor ser cantidad de molculas que se puedan adsorber en
esa superficie disponible, los cationes intercambiables que pueden ser desplazados por otras
molculas cargadas o por medio de la formacin de complejos, mientras que los sitios
cidos utilizan atracciones electrostticas de diferentes tipos como Van der Walls, puentes
de hidrogeno, etc.
Las arcillas tipo montmorillonita, son materiales muy accesibles, su costo es muy
bajo y su mtodo de obtencin es simple, por ello su uso se ha difundido en muchas reas
de la investigacin. En concreto las arcillas montmorillonita pueden usarse en la
purificacin de aguas [Zhou y col., 2008], en un gran nmero de reacciones como
catalizador acido [Bigi y col., 1999], para liberacin prolongada de frmacos [Junping y
col., 2007], purificacin de compuestos orgnicos [Chen y col., 2008], uso en
polimerizaciones [Strawhecker y col., 2000] e incluso estudios de adsorcin de
biomolculas, como enzimas o carbohidratos [Gopinath y col., 2007].
Las investigaciones sobre la adsorcin de compuestos sobre arcillas revelan que
estos materiales proveen condiciones para la estabilizacin de una gran variedad de
molculas, con una gran gama de aplicaciones, ya sea como catalizadores o para la
retencin de molculas, tanto inorgnicas y orgnicas, como se demuestra en los resultados
de investigadores que reportan retencin de molculas orgnicas como el catecol
[Moncada., 2011], la polianilina [Mendoza., 2010], aminocidos tales como el cido
asprtico [Rangel, 2010], frmacos [Vicente y col., 1989; Adams y col., 1983], retencin y
catlisis con alcoholes [Khalil y col., 2002; Acharya, 2006], cidos grasos [Brigatti y col.,
2006], etc.
Las investigaciones basadas en la fijacin de compuestos sobre materiales
inorgnicos fundamentan teoras sobre los mecanismos llevados a cabo en la superficie de
slidos, y la posibilidad de realizar adsorciones cada vez ms complejas y especficas sobre
sitios activos. Una de las adsorciones ms complejas es la preservacin de ADN, que a
pesar de que est presente en los entornos medioambientales, se deben entender sus
propiedades e interacciones con los compuestos en los ambientes como son las arcillas para
poder proponer las condiciones de esta biomolcula y los materiales utilizados que influyen
en su conservacin y estabilizacin sobre un slido. La interaccin del ADN con las arcillas
es gran inters, ya que se pueden obtener resultados sobre las interacciones que existen
entre ADN y arcillas, adems de proponer posibles mecanismos de adsorcin que
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Captulo I
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explicaran de una manera general los procesos ocurridos en la naturaleza y que
condiciones influyen en el medio ambiente para que el ADN pueda estar disponible
Los factores que influyen en la fijacin de ADN en arcillas en base a sus
caractersticas son la carga generada en las arcillas por sustituciones metlicas isomorficas,
el tipo de sitio cido, ya sea Brnsted o Lewis, los cationes intercambiables, etc. Estas
caractersticas proporcionan la capacidad por las cual las arcillas interaccionan con las
molculas adsorbatos. Se puede cambiar estas caractersticas por medio de diferentes
tratamientos realizados sobre las arcillas, proporcionndoles cambios de rea superficial,
cambio de tipo de sitio acido, cambio en los cationes intercambiables, solo por mencionar
los ms importantes [Beki y col., 2010].
1.6 Arcillas Comerciales serie K (K10 y KSF).
Las arcillas tipo montmorillonita pueden ser modificadas mediante tratamientos de
diferentes tipos, como el tratamiento para obtener arcillas tipo K10 y tipo KSF,
dependiendo de su tratamiento despus de su mtodo de obtencin, es posible conseguir
arcillas montmorillonitas con diferentes caractersticas, como variaciones en el rea
superficial, incremento de la porosidad y obtencin de mesoporos, cambio de tipo en sitios
cidos pasando de sitios cidos de Lewis a Brnsted o viceversa, etc. [Garca-Mano y col.,
2008]. La principal diferencia entre estas dos arcillas radica en el tipo de sitio acido, ya que
la montmorillonita del tipo K10 posee sitios cidos de Lewis, mientras que la del tipo KSF
posee sitios cidos del tipo Brnsted, tambin vara su rea superficial, siendo menor la de
la KSF que la K10.
El rea superficial del material hace referencia a los conglomerados en los que estn
agrupadas las partculas de los slidos, los conglomerados dependiendo de su tamao o
porosidad pueden tener ms espacio para el alojamiento de partculas en su espacio
superficial, que se define como el rea de la superficie externa de las partculas
constituyentes por unidad de masa expresada en m2/g. Un slido cambia su rea superficial
si los conglomerados son grandes y poco porosos, mientras que el rea superficial aumenta
si los conglomerados estn dispersos en partculas ms pequeas y aumenta an ms si los
poros del slido son abundantes y de tamao pequeo. Las arcillas K10 poseen mayor rea
superficial que las KSF, mientras que la K10 alcanza reas de hasta 200 m2/g, el rea del
tipo KSF no es mayor a 40 m2/g [Brigatti y col., 2006].
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Captulo I
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Tabla 1.5: Composicin qumica de las arcillas KSF y K10 [Tomada de Rangel,
2010].
Muestra
Composicin qumica (%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
Perdida de
ignicin
Total
K10
73.0
14.0
2.7
0.2
1.1
0.6
1.9
6.0
99.5
KSF
55.0
18.0
4.0
3.0
3.0
0.5
1.5
10.0
95
De los sitios cidos en las arcillas depende la naturaleza por las que pueda
interaccionar un compuesto entre los tomos que componen cada una de las capas, se
pueden clasificar en interacciones con sitios cidos Brnsted o interacciones con sitios
cidos de Lewis. Los sitios cidos de Brnsted se caracterizan por intercambiar protones a
otros tomos fuertemente electronegativos, el intercambio de estos protones propicia la
generacin de puentes de hidrogeno. Los sitios cidos de Lewis poseen una interaccin
entre molculas por medio de pares de electrones libres y orbitales vacos, por lo tanto las
interacciones las uniones se llevan a cabo por pares de electrones y estas interacciones son
ms fuertes que las interacciones por puentes de hidrogeno [Adams y col., 1983].
1.7 Caracterizacin de los Materiales Adsorbentes.
La caracterizacin de un slido es de fundamental importancia para conocer los
principales factores que gobernarn el proceso de adsorcin, tales como su composicin
qumica, formacin de aglomerados, tamao de los aglomerados, rea superficial,
porosidad, arquitectura de poros, sitios cidos, etc. Las caracterizaciones que se realizan
sobre las diferencias de los dos tipos de arcillas montmorillonita proporcionan datos para la
elaboracin de los mecanismos de adsorcin de cada acilla y que factores son importantes
para la proteccin de las molculas adsorbidas. En esta seccin se describen brevemente las
tcnicas de anlisis llevadas a cabo en el presente trabajo, para la caracterizacin de los
materiales adsorbentes.
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Captulo I
22
1.7.1 Espectroscopa Infrarroja FTIR.
El anlisis por medio de espectrofotmetros infrarrojos con transformada de Fourier
(FTIR) se llevan a cabo por la incidencia de luz con una longitud de onda cercana a 0,7 m
hasta los 1000 m, que corresponde a la fraccin infrarroja del espectro electromagntico
de la luz, sobre diversas molculas. Existen principalmente tres regiones infrarrojas; el
infrarrojo lejano que corresponde a 50 m a 1000 m, el infrarrojo medio, en el cual se
realizan principalmente los anlisis FTIR, tiene un rango de 2.5 m a 50 m y por ltimo el
infrarrojo cercano, que posee un rango de 0.8 m a 2.5 m.
La luz correspondiente a la longitud de onda infrarroja incide sobre las molculas,
excitando los enlaces interatmicos, provocando de acuerdo a la fuerza del enlace un cierto
tipo de vibracin que lleva asociado un movimiento caracterstico de los tomos, los
principales son: las deformaciones de enlace, ngulos de valencia, ngulos diedros,
deformaciones fuera del plano, etc.
1.7.2 Anlisis termogravimtrico.
En los anlisis termogravimtricos o anlisis TG, las muestras a analizar se colocan
sobre un crisol de platino en una balanza analtica, la muestra se empieza a calentar desde
temperatura ambiente hasta la temperatura deseada, generalmente las temperaturas
mximas oscilan entre los 800 a los 1000 C.
Las muestras se van calentando y se liberan diferentes compuestos que posee a lo
largo del aumento gradual de temperatura mientras que se registra la prdida de peso.
Dependiendo de la temperatura alcanzada y prdida de peso se puede llegar a corroborar la
presencia de diferentes compuestos en las arcillas.
1.7.3 Anlisis de fisisorcin de nitrgeno a 77 K.
Las isotermas de adsorcin se definen como la relacin entre la cantidad de gas
adsorbido por unidad de masa del slido y la presin relativa de equilibrio, a una
temperatura constante y conocida, las isotermas son curvas la cuelas se grafican con la
cantidad de gas adsorbido contra la presin relativa de equilibrio (P/P0), que vara entre 0 y
1, donde P0 es la presin de saturacin a la cual el gas se transforma en lquido a la
temperatura de la isoterma.
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Captulo I
23
Las isotermas se clasifican segn su forma, siendo los tipos de curvas siguientes las
reconocidas por la IUPAC (Figura 1.6):
La isoterma tipo I es caracterstica de los slidos microporosos y en la zona
central de la isoterma se interpreta como ausencia de adsorcin en
multicapas sobre la superficie del slido.
La isoterma tipo II es caracterstica de slidos macroporosos o no porosos.
La isoterma tipo III se hace presente cuando la interaccin adsorbato-
adsorbente es baja en slidos no porosos.
La isoterma tipo IV es caracterstica de slidos mesoporosos. Se caracterizan
por presentar un ciclo de histresis debido a las propiedades de su red
porosa.
La isoterma tipo V es caracterstica de interacciones adsorbato-adsorbente
dbiles de slidos mesoporosos.
La isoterma tipo VI corresponde a slidos con una superficie no porosa muy
uniforme.
.
Figura 1.6: Tipos de isotermas de adsorcin segn la clasificacin de la IUPAC.
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Captulo I
24
Existe un modelo propuesto por Barrett, Joyner y Halenda en el cual se describe la
distribucin y el tamao de mesoporo. Este mtodo propone que un poro pierde adsorbato
condensado en estado lquido, conocido como el ncleo del poro, cuando se alcanza una
determinada presin relativa relacionada con el tamao del ncleo del poro mediante la
ecuacin de Kelvin. Una vez que el ncleo del poro se ha evaporado, la capa-multicapa de
molculas adsorbidas contina en las paredes del poro. El espesor de esta capa vara en
funcin de la presin relativa existente y se calcula en cada momento mediante la ecuacin
del espesor. Esta capa se va adelgazando a medida que la presin disminuye de manera que
la cantidad de gas desorbido detectado en un determinado escaln de presin resulta ser la
suma de dos cantidades: el lquido evaporado del ncleo del poro ms las molculas
desorbidas de las paredes de los poros que previamente han sido vaciados por evaporacin
de su ncleo en escalones de presin anteriores [Brigatti y col., 2006].
Para la determinacin del rea superficial se utiliza el mtodo BET, pero este
mtodo es una variacin del mtodo de Langmuir el cual propone que los gases forman una
nica capa molecular sobre la superficie del slido, la colisin de la molcula de gas con el
slido es considera inelstica, el periodo de tiempo de desfase entre el choque inelstico y
el retorno a la fase gaseosa es el origen del fenmeno de adsorcin.
Para la caracterizacin de los slidos se utiliza la teora BET, la cual se basa en el
modelo cintico del Langmuir pero adicionando una serie de premisas que lo simplifican,
Brunauer, Emmett y Teller proponen la formacin de multicapas adems del crecimiento
indefinido de las capas hasta producirse la condensacin del gas.
La principal condicin del modelo BET es que las fuerzas participantes en la
condensacin de gases son tambin responsables de la energa de enlace en la adsorcin
multimolecular. Esta condicin se traduce en tres premisas:
Cuando P = P0, el gas adsorbido se condensa sobre la superficie del slido.
Todos los centros de adsorcin de la superficie son equivalentes. La capacidad de
adsorcin de un centro no depende del grado de ocupacin de los dems centros.
Sobre cada centro pueden adsorberse varias capas de molculas, a excepcin de la
primera capa, el calor de adsorcin, condiciones de evaporacin y condensacin es
equivalente para todas las capas.
-
Captulo I
25
El modelo BET propone un equilibrio entre la velocidad de la fase gaseosa y la
condensacin en los sitios disponibles es igual a la velocidad de la evaporacin de los sitios
ocupados. En el momento en que se obtiene un equilibrio entre las velocidades y
considerando un nmero infinito de capas, se obtiene la siguiente expresin, conocida como
la ecuacin BET [Brigatti y col., 2006; Beki y col., 2010]:
( )
Dnde:
P/P0 es la presin relativa de equilibrio.
na es el nmero de moles de gas adsorbido en 1 gramo de adsorbente (mol/g).
nm es la capacidad especfica de la monocapa del adsorbato (mol/g).
C se considera como ( ) Donde: q1 es el calor de adsorcin de la
primera capa, qL es el calor de licuefaccin del adsortivo, (ql-qL) es el calor neto de
adsorcin, R es la constante de los gases = 8,314 J/molK, T es la temperatura
absoluta en K.
-
Captulo II
25
CAPULO II
DESARROLLO EXPERIMENTAL
2.1 Proceso de Intercambio Catinico.
Las arcillas se suspendieron en un matraz Erlenmeyer que contena una solucin de
NaCl 1 M en agitacin constante durante 24 horas, al terminar este tiempo de interaccin,
las arcillas se centrifugan a 2 192 RFC (fuerza centrifuga reducida) durante 10 minutos y se
elimin el sobrenadante, posteriormente se hicieron lavados con agua desionizada y los
slidos se centrifugaron a 2 192 RFC por 10 minutos, al terminar de centrifugar, se descart
el sobrenadante y los slidos se secaron a 80C.
2.2 Extraccin de ADN de brotes de Ajo.
Se utiliz un mtodo modificado del protocolo original miniprep para la extraccin de
ADN de tejido vegetal [Doyle y col., 1987]. Este protocolo es eficiente para la extraccin
de ADN de plantas que no producen compuestos secundarios o gran cantidad de
polisacridos. El mtodo se describe a continuacin:
En un mortero moler alrededor de 1 g de tejido vegetal con nitrgeno lquido hasta
obtener un polvo fino.
Pasar el polvo a tubos de 1.5 mL y agregar 1 mL de regulador CTAB (bromuro de
cetiltrimetilamonio) 2X a cada uno.
Agita vigorosamente en vortex por 10 minutos hasta homogeneidad.
Centrifugar a 12 000 g durante 10 min.
Recuperar el sobrenadante y resuspender con 1 mL de CTAB (bromuro de
cetiltrimetilamonio) 2X.
Incubar a 60C durante 10 min.
Agregar 600 L de cloroformo:octanol en una proporcin de 24:1 y agitar
vigorosamente por 5 minutos.
Centrifugar a 8 000 g durante 10 min. Trasladar el sobrenadante a un tubo nuevo,
cuidando de no tomar la interfase.
Agregar 2/3 del volumen final de isopropanol fro para precipitar el ADN durante la
noche a -20C.
Centrifugar a 8 000 g durante 5 min. Eliminar perfectamente el sobrenadante.
Limpiar el ADN agregando 300 L de etanol al 70% fro y centrifugar a 8 000 g
durante 5 min.
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Captulo II
26
Eliminar el sobrenadante y resuspender con 100 L de H2O desionizada estril.
Para determinar la integridad del ADN se toma una alcuota y se somete a una
electroforesis en un gel de agarosa al 1% conteniendo bromuro de etidio.
La solucin reguladora CTAB se prepara con 10 % (V/V) de 2-Amino-2-
hidroximetil-propano-1,3-diol (Tris-HCl pH 8) 100 mM, 28 % (V/V) de NaCl 1.4 M, 4 %
(V/V) de EDTA 20 Mm, 2% (p/V) de CTAB y H2O necesaria para el volumen deseado.
2.3 Adsorcin de ADN en montmorillonita.
Se pes 0.1 g del solido adsorbente y se adicion un volumen de 500 L de una
solucin de ADN a 60 gmL-1, se llev a una agitacin constante de 900 rpm a
temperatura ambiente por dos horas, para recuperar los slidos se centrifug las muestras a
12 000 g en un tiempo de 10 minutos y se separa el sobrenadante.
El secado del slido con ADN se realiz en el equipo de centrifugacin Speed Vac
Plus modelo SC210 A (Savant) en un tiempo de 1 hora.
2.4 Anlisis del Slido por medio de Electroforesis.
Los anlisis de electroforesis consisten en un tipo de prueba en la cual el ADN se
coloc en un gel de agarosa moldeado de tal manera que en la parte superior se pueden
encontrar pozos que sirven como portamuestras, posteriormente el gel se coloc en una
cmara para electroforesis en la cual se agrega una solucin electroltica hasta sumergir el
gel de agarosa, esta solucin reguladora es capaz de permitir el paso de corriente elctrica,
pero este regulador no debe desnaturalizar el ADN (se utiliz TAE como solucin
electroltica y que al mismo tiempo funciona como solucin que regula el pH a 8).
Se prepar regulador de carga, el cual contiene glicerol, y es tambin utilizado para
mezclar con los marcadores de peso molecular que son fragmentos de ADN del fago
cortado con enzima Pst I. La solucin reguladora utilizada fue TAE, para preparar 1 L a
concentracin 50X se requieren 242 g de tris(hidroximetil)aminometano, 57.1 mL de cido
actico y 100 mL de cido etilendiaminotetraactico 500 mM y se ajusta a pH de 8. Se
prepar un gel de agarosa al 1% conteniendo 7 L de bromuro de etidio y se utiliz TAE
1X (diluyendo la solucin de 50X) como solucin reguladora. Se prepar un monde de una
cmara para electroforesis y agreg la agarosa dejando enfriando hasta que solidifico
-
Captulo II
27
(formo un gel), posteriormente se lleno la cmara con la solucin reguladora TAE 1X y se
colocaron las muestras con regulador de carga en los pozos del gel. Se le aplic una
corriente de 60 V hasta ver un desplazamiento del colorante del regulador de carga, de
aproximadamente 2/3 de la longitud del gel y se captur la imagen de la migracin del
ADN con un fotodocumentador (ChemiDoc, Bio-Rad).
2.5 Determinacin de sitios cidos de Brnsted.
Se ponen en contacto 1g de slido con una solucin 0.1 N de NaOH durante 5 das,
se toma una alcuota de 10 mL y posteriormente se titula con una solucin estndar 0.1 N
de HCl (Boehm, 1966). Se determinan los sitios cidos por medio de la ecuacin:
(
)
( )
2.6 Anlisis Termogravimtrico.
Las condiciones utilizadas para el anlisis termogravimtrico de las muestras constan
de:
Atmosfera dinmica de aire de ultra alta pureza con un flujo de 100mLmin-1.
Se utiliz un portamuestras de platino y almina grado estndar como referencia.
Se realiz a una velocidad de calentamiento de 10Ccm-1.
El equipo utilizado fue un Termoanalizador modelo SDT Q600 Simultaneous TGA-
DSC de la marca TA Instruments.
2.7 Anlisis FTIR.
Los espectros FTIR se obtuvieron por medio de la elaboracin de pastillas de KBr
con muestras de arcillas, la lectura de las absorbencia se realiz en un espectrofotmetro
infrarrojo modelo espectrum 100 de la marca Perkin Elmer.
2.8 Adsorcin de Nitrgeno a 77 K.
Los anlisis texturales se realizaron en un equipo automtico micrometrics ASAP
2010 el cual opera con nitrgeno a 77 K. La determinacin del rea especfica se calcul
mediante el mtodo BET y la distribucin del tamao de mesoporo fue mediante el modelo
BJH.
-
Captulo III
28
CAPTULO III
RESULTADOS Y DISCUSIONES
3.1 Caracterizacin de los Materiales de Partida.
Como se mencion en captulos anteriores, tanto K10 como KSF son arcillas del
tipo montmorillonita, lo que significa que contienen la misma estructura conformada por
dos hojas tetradricas y uno octadrica. Sin embargo, existen diferencias entre cada una de
ellas como son el tamao de sus aglomerados, los minerales arcillosos asociados, elementos
sustituidos isomrficamente, cantidad de cationes intercambiables, porosidad, rea
superficial y naturaleza de sitios cidos en su superficie. Por lo tanto, en esta parte del
trabajo se presenta la caracterizacin realizada a ambos materiales con la finalidad de
determinar las principales diferencias en la superficie, para posteriormente discutir en cul
de ellos se favorece una interaccin con molculas de ADN.
3.1.1 Densidad de sitios cidos.
La densidad de sitios cidos se determin por medio del mtodo de titulacin
volumtrica con HCl, posteriormente a la neutralizacin de sitios cidos con NaOH, en el
cual se asocia principalmente el exceso de NaOH a los sitios cidos de Brnsted en el
slido. En la Tabla 3.1 se muestran los resultados obtenidos de dicho anlisis. Se puede
observar que la arcilla KSF muestra mayor densidad de sitios cidos de Brnsted sobre su
superficie que la K10, lo que constituye una de las principales diferencias entre ambos
materiales.
Tabla 3.1: Densidad de sitios cidos para KSF y K10.
Slido Densidad de sitios cidos (meq/g)
K10 1.18
KSF 10
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Captulo III
29
3.1.2 Microscopa Electrnica de Barrido (SEM).
En la Figura 3.1 se muestran las fotografas obtenidas por medio de Microscopa
Electrnica de Barrido, en donde se observa la diferencia en los agregados de cada uno de
los materiales de partida. Las partculas de la arcilla KSF tiende a formar aglomerados ms
grandes que la K10, lo cual puede ser reflejo de una mayor plasticidad ocasionada por las
diferencias en sus propiedades superficiales.
Figura 3.1: Microscopa Electrnica de Barrido (SEM) de la arcilla inicial de K10
(izquierda) y KSF (derecha).
Adicionalmente, se realiz el anlisis semicuantitativo de los elementos en el
material mediante la energa de dispersin de rayos-X (EDS), mostrando diferencias en la
composicin qumica de cada uno de los slidos de partida (Figura 3.2). Se puede observar
que la arcilla K10 muestra la presencia de magnesio, hierro, y potasio, este ltimo
posiblemente en sitios de intercambio, mientras que el hierro podra estar en la estructura
como sustituyente isomrfico. En el caso de la muestra de KSF, entre las principales
diferencias es la presencia de calcio y un porcentaje considerable de azufre. El azufre
posiblemente se encuentra en forma de sulfatos, unido a la superficie del mineral o dentro
del especio interlaminar asociado con algn in metlico. En la Tabla 3.2 se presenta la
relacin de los elementos en cada uno de estos minerales, en porcentaje en masa. En dicha
tabla se puede observar que el porcentaje de azufre es incluso mayor a la del aluminio,
calcio, y magnesio [Madejov, 2003].
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Captulo III
30
Figura 3.2: Anlisis semicuantitativo de los elementos de la arcilla inicial: a) K10 y b)
KSF.
Tabla 3.2: Relacin en porcentaje masa de los elementos presentes en cada uno de las
arcillas de partida.
Elemento K10 KSF
Magnesio 1.9 4.4
Aluminio 11.9 11.7
Silicio 76.4 33.4
Potasio 1.8 -
Hierro 8 22
Calcio - 10.4
Azufre - 18.1
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Captulo III
31
3.1.3 Espectros Infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR) de K10 y KSF.
La caracterizacin mediante FTIR permite observar los grupos funcionales en la
superficie del material. La Figura 3.3 muestra los espectros de infrarrojo correspondientes a
las arcillas K10 y KSF. En ambos espectros fue posible observar las seales caractersticas
del enlace Si-O localizada a 1030 cm-1, as como las bandas correspondientes a las
vibraciones de Al2OH a 939 cm-1 y AlMgOH a 809 cm-1. Las bandas localizadas en el
rango de 950 cm-1 a 844 cm-1 se ha reportado que corresponden a estructuras dioctadricas
de las arcillas, as como las seales de 700 cm-1 a 600 cm-1 son asignadas a las lminas
trioctadricas. Las seales a 534 cm-1 y 467 cm-1 corresponden a las vibraciones Si-O-Al y
Si-O-Si respectivamente. Tambin existen seales cercanas a la longitud de 1660 cm-1 que
corresponden a la vibracin de OH provenientes de molculas de agua adsorbidas en los
slidos.
Las bandas asociadas a la vibracin de los grupos hidroxilos se observan dentro del
rango de 3000 cm-1 a 3700 cm-1. La seal localizada a 3620 cm-1 corresponde a los
hidroxilos asociados a aluminios, ya sean aquellos sustituidos isomrficamente o los que
componen la capa octadrica. Los hidroxilos a 3423 cm-1 y 3250 cm-1 corresponden a OH
de hidratacin por retencin de agua e hidratacin asociada a los cationes intercambiables
respectivamente, seales identificadas anteriormente por diferentes investigadores [Xie y
col., 2007; Seki y col., 2006; Tyagi y col., 2006].
Figura 3.3: Espectro FTIR de: a) KSF y b) K10.
-
Captulo III
32
Sin embargo, el espectro de la arcilla KSF present una banda ancha de 2750 cm-1
hasta 3200 cm-1, que no fue observada en la muestra correspondiente a K10. Este
desplazamiento puede ser asociado la presencia de sulfatos o especies de azufre que fueron
determinadas durante el anlisis semicuantitativo del material, y anteriormente sealadas
[Garca-Mano, 2008].
3.1.4 Fisisorcin de nitrgeno de K10 y KSF.
Por medio de la fisisorcin de nitrgeno a 77 K es posible determinar las
caractersticas texturales de un material, tales como el rea superficial, tamao de poros as
como poder describir la aglomeracin de las partculas que constituyen el slido. En la
Figura 3.4 se observa las correspondientes isotermas de adsorcin de N2 para las arcillas
K10 y KSF.
Figura 3.4: Isotermas de adsorcin-desorcin de N2 a 77 K de: a) K10 y b) KSF.
La curva correspondiente a la adsorcin corresponde a una isoterma tipo III de
acuerdo a la clasificacin de la IUPAC, que corresponde a slidos cuya interaccin
adsorbato-adsorbente es muy dbil. En este tipo de isoterma, una mayor adsorcin se
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Captulo III
33
presenta a presiones relativas cercanas a 1.0. El comportamiento anterior es ms acentuado
en el caso de la arcilla KSF. Este tipo de isotermas es caracterstico de materiales laminares
que son conformados por placas paralelas y cuya separacin depender del tamao de los
aglomerados. El espacio entre placas tiene determinada flexibilidad, el cual aumenta
conforme se alojan molculas de N2. Por lo tanto, a presiones relativas de 1.0, la arcilla
continua con la adsorcin debido a la expansin de las placas. A diferencia de las
tradicionales isotermas del tipo III, cuya correspondiente desorcin es completamente
reversible, en estos casos se aprecia una histresis durante dicho proceso. Lo anterior es
atribuido a la difusin del adsorbato al interior del especio interlaminar, modificando en ese
punto los aglomerados, lo que provoca una difusin diferente de los mismos al momento de
la desorcin. En el caso de la arcilla KSF, la histresis de desorcin es ms abierta, lo que
se debe a aglomerados ms compactos.
El anlisis de las isotermas de adsorcin de nitrgeno mostr diferencias en las
propiedades texturales entre ambas montmorillonitas estudiadas. Adems, de los datos
obtenidos se calcul el rea superficial mediante el modelo BET (Brunauer-Emmet-Teller),
indicando una gran diferencia en los valores entre las dos arcillas (Tabla 3.3). Lo anterior,
como se coment previamente, se debe a un mayor ordenamiento en el apilamiento de la
estructura de la KSF, lo que a su vez provoca una aglomeracin ms compacta de las
partculas, teniendo como consecuencia menor rea superficial expuesta. El valor del rea
superficial de un slido tiene un gran inters en los procesos de adsorcin, ya que est
asociado a la capacidad del material; sin embargo, la afinidad de un adsorbato por la
superficie no depende del valor de este parmetro, si no de las caractersticas fsico-
qumicas del slido, como puede ser la naturaleza y cantidad de sitios cidos [Rangel, 2010;
Rangel, 2014; Ursu y col., 2011].
Tabla 3.3: rea superficial y porosidad de los minerales de partida K10 y KSF
determinados a partir de los datos de adsorcin de Nitrgeno a 77 K.
Slido rea superficial
(m/g)
rea de microporo
(m/g)
Volumen de
microporo (cm/g)
K10 267.5 10.28 0.00216
KSF 5.76 0.848 0.00037
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Captulo III
34
Otra de las principales caractersticas texturales es el tamao de los poros. En la
Figura 3.5 se presenta la distribucin del tamao de los mesoporos, la cual fue generada a
partir de los datos de adsorcin y utilizando el modelo de BJH (Barret-Joyner-Halenda). La
figura muestra que la arcilla K10 contiene mayor volumen de estas cavidades, en un rango
ms amplio de valores en comparacin con la muestra KSF [Rangel, 2010].
Figura 3.5: Curva de distribucin de mesoporos (BJH) para la arcilla a) K10 y b) KSF,
obtenidos a partir de la curva de adsorcin de N2 a 77 K.
En la Tabla 3.3 adicionalmente se determina el volumen de microporos por la
ecuacin t-plot, donde se puede apreciar nuevamente que la montmorillonita K10 contiene
un mayor volumen de estos.
3.1.5 Anlisis Termogravimtrico (TG) de K10 y KSF.
La Figura 3.6 muestra el anlisis Termogravimtrico de los materiales de partida.
De forma general, la prdida de peso observada en el rango de 30 C a 100 C es debido a
la eliminacin de agua que se encuentra dbilmente unida a la superficie externa de las
arcillas; mientras tanto, el agua con uniones ms fuertes que est asociada a cationes
interlaminares se desorbe a temperaturas cercanas a los 200C. Por otra parte, el agua que
se encuentra ocluida en el interior de los espacios interlaminares se desorbe en rango que se
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Captulo III
35
localiza entre 200C y 500C; adicionalmente, en este rango diversos materiales
experimentan procesos de deshidroxilacin a temperaturas cercanas a 500C. Finalmente,
entre 500C y 800C se completa la mayor parte de los procesos de deshidroxilacin,
pudiendo existir cambios en la estructura de los minerales [Rangel y col., 2014].
Figura 3.6: Curvas de anlisis TG de las arcillas montmorillonitas KSF y K10.
Las curvas obtenidas de las dos arcillas muestran diferencias significativas en
cuanto a la prdida de peso conforme se incrementa la temperatura. Se puede apreciar que
al inicio del anlisis, la KSF pierde menor cantidad de peso que la K10, lo cual ocurre hasta
alcanzar una temperatura de 88 C. Lo anterior puede deberse a que la KSF contiene mayor
densidad de sitios cidos de Brnsted, que forman mayor cantidad de puentes de hidrgeno
con el agua, y cuyos enlaces son ms fuertes que los existentes en una superficie con cidos
de Lewis, como los presentes en la arcilla K10. Una vez que se alcanzan los 88 C, la
energa es suficiente para romper dichas uniones, por lo que arriba de esta temperatura se
observa una mayor prdida de masa para el mineral KSF [Balek y col., 2006; Fajnor y col;
1996; Rangel y col., 2014; nal y col., 2008; Molu y col., 2010].
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Captulo III
36
Tabla 3.4: Prdida de peso registrada en TG para KSF y K10.
Porcentaje de prdida de peso
Slido (30-100) C (100-200) C (200-500) C (500-800) C Total
KSF 6.4 2.98 3.52 7.03 19.93 K10 5.44 0.75 2.14 1.85 10.73
La tabla 3.4 muestra los porcentajes de masa perdida por rango de temperatura para
cada uno de los minerales. Se observa que tanto la prdida total de masa, as como por cada
rango de temperatura fue mayor el slido KSF. Lo anterior se debe a que la KSF cuenta con
mayor cantidad de grupos hidroxilos sobre la superficie, mismos que le confieren una
mayor acidez, y por lo tanto tiene mayor capacidad de adsorber molculas de agua sobre su
superficie a travs de la formacin de puentes de hidrgeno. Por lo tanto, la KSF
experimentar mayor prdida de masa relacionada con los procesos de deshidratacin y
deshidroxilacin. Sin embargo, en la curva de TG se puede observar que la KSF continua
perdiendo masa an cerca de los 800 C, lo que puede deberse a que, adems de los
procesos de eliminacin de grupos OH, se lleva a cabo la eliminacin de las especies
asociadas a los compuestos con azufre [Cai y col., 2006b; Theiss y col., 2012].
3.2 Arcillas modificadas mediante el intercambio con iones de Sodio.
Se ha reportado que las caractersticas de una arcilla dependen del tipo de catin
intercambiable que contienen. Por lo tanto, al intercambiar los cationes presentes en los
materiales de partida por iones de sodio, algunas de sus caractersticas pueden ser
modificadas y por consiguiente, sus propiedades de adsorcin sern diferentes. Por
ejemplo, algunos investigadores [Sanderson y col., 2013] reportan que la cantidad de ADN
adsorbida aumenta con la presencia de Na+ intercambiados en las arcillas, mientras que
otros autores [Choy y col., 2007] indican que la afinidad del ADN por el Na+ es menor que
por el Ca2+, que es el ion metlico que est presente naturalmente en las arcillas. Por tal
motivo, se estudiaron los materiales de partida una vez que se sometieron a un proceso de
intercambio inico en soluciones de cloruro de sodio.
3.2.1 Determinacin de sitios cidos en las muestras modificadas.
Una vez que se llev a cabo el proceso de intercambio inico con sodio en cada una
de las arcillas, se observ en cada caso que la densidad de sitios cidos tiende a disminuir
(Tabla 3.5). Lo anterior puede atribuirse al hecho de que el sodio desplaz de los sitios de
intercambio a cationes divalentes, como el magnesio, que podran estar parcialmente
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Captulo III
37
hidroxilados creando centros cidos de Brnsted, o tambin desplazando algunos protones
de superficies hidroxiladas para ocuparlos como sitios de intercambio. Para la arcilla KSF,
la diferencia en la disminucin de centros cidos es mucho mayor, lo que es consecuencia
de la eliminacin de las especies de azufre que le confieren determinado valor a este
parmetro en la arcilla original. Lo anterior est basado en el hecho que se ha comprobado
que al suspender la arcilla KSF en agua destilada, disminuye considerablemente la acidez
de la misma. En la Figura 3.7 se muestra un esquema que representa el proceso de
intercambio catinico en la superficie del slido, teniendo como consecuencia la
disminucin de centros cidos en el material.
Tabla 3.5: Densidad de sitios cidos para de KSF y K10 modificadas con el intercambio
con sodio.
Slido Densidad de sitios cidos (meq/g)
K10-Na
0.983
KSF-Na
0.525
Figura 3.7: Esquema que representa la disminucin de sitios cidos en la superfic ie de un
mineral arcilloso posterior a un tratamiento mediante intercambio inico con sodio.
3.2.2 Espectros Infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR) de arcillas K10 y KSF
modificadas con Na+.
La Figura 3.8 contiene los espectros de infrarrojo de las arcillas que contienen
esencialmente sodio intercambiable. Dichos espectros mostraron idnticas bandas de
vibracin a las analizadas anteriormente para las muestras iniciales. Entre las diferencias
principales, se observa que el slido KSF no presenta la banda ancha localizada entre 2900
y 3000 cm-1, debida a las vibraciones de las especies de azufre, lo que indica que dichos
-
Captulo III
38
compuestos fueron removidos de las montmorillonita. Por otra parte, se ha reportado que la
seal de alargamiento del enlace Si-O observada en la regin de 1100-1000 cm-1 se
desdobla en cuatro bandas, con un notorio incremento en la intensidad del pico a 1080 cm-1
que indica un deslaminado de las estructura de la arcilla montmorillonita [Rangel, 2013;
Garca-Mano, 2008; Xie y col., 2007; Seki y col., 2006; Tyagi y col., 2006]. Lo anterior no
es apreciado en alguno de los espectros de infrarrojo para las arcillas con sodio, por lo que
dicho proceso no ocurri durante el intercambio catinico con dicho metal.
Figura 3.8: Espectro infrarrojo de las arcillas modificadas con Na+; a) KSF-Na y b) K10-
Na.
3.2.3 Fisisorcin de nitrgeno de arcillas K10 y KSF modificada con Na+.
En la Figura 3.9 se comparan las isotermas de adsorcin-desorcin de nitrgeno de
cada una de las arcillas despus de ser modificadas mediante la incorporacin de sodio por
un procedimiento de intercambio catinico. Se observa que ambos minerales conservan la
forma de la isoterma de adsorcin, lo que indica que la arquitectura de sus poros, as como
la estructura laminar no fueron modificadas con el tratamiento llevado acabo. Sin embargo,
se puede apreciar que la cantidad de nitrgeno adsorbido vario segn la arcilla estudiada.
En el caso de la K10 se presenta una disminucin en la capacidad de retener N2, reflejo de
una disminucin en el valor de su rea superficial (Tabla 3.6). Lo anterior fue consecuencia
de la reduccin del volumen tanto de microporos como de mesoporos (Figura 3.10),
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Captulo III
39
ocasionado por el bloqueo de las cavidades porosas po