Determinación microelectroanalítica de potasio en muestras de interés farmacéutico y clínico

Micro-Electroanalytical Determination of Potassium in Pharmaceutical and Clinical Samples

MSc. Allan N. Domínguez-Romero, Dr. Arturo J. García-Mendoza, Dr. José A. Baeza-Reyes

Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, D.F., México, allannoe@comunidad.unam.mx, joresen@hotmail.com, baeza@unam.mx

RESUMEN

En este trabajo se establecen las condiciones operatorias adecuadas para la cuantificación de la cantidad de potasio en diferentes muestras de interés farmacéutico y clínico, mediante la utilización de diferentes técnicas electroquímicas de análisis, conductimetría, voltamperometría lineal y polarografía clásica, acoplando una reacción específica clásica del análisis químico cualitativo para K⁺. Se determina la concentración de potasio de manera indirecta por la precipitación del hexanitrocobaltato (III) de potasio (K₃[Co(NO₂)₆] ) como reactivo piloto. Se describió la construcción de una microcelda electroanalítica con un volumen menor a 1 mL utilizando tres electrodos miniaturizados. Se monitoreó el Co (III) remanente a la reacción con K⁺ por polarografía clásica y alternativamente el Co(II) proveniente de la transformación del Co(III) remanente a pH controlado. Se establecieron las condiciones operatorias para obtener curvas de calibración mediante apoyo conductimétrico.

Palabras clave: cobaltinitrito, voltamperometría, conductimetría, polarografía, celda electroanalítica.

ABSTRACT

Conditions to quantify the amount of potassium in different samples of pharmaceutical and clinical interest by using electrochemical techniques conductimetry, voltammetry and classical polarography were established. Potassium ion concentrations were determined by means of electrochemical signal of Co(III) and Co(II) in AcBS medium after precipitation of potassium cobaltinitrite (K₃[Co(NO₂)₆]). The development of an electroanalytical microcell with an operational minimal volume of 1 mL and three miniaturized electrodes is described as well.

Keywords: cobaltinitrite, voltammetry, conductimetry, polarography, electroanalytical microcell.

INTRODUCCIÓN

Por lo tanto, hace falta desarrollar microsensores electroanalíticos químicos y nuevas metodologías de análisis que puedan indicar con precisión los cambios metabólicos que se desarrollan cuando se manifiesta la isquemia miocárdica, la determinación del tiempo posmortem y la cuantificación de potasio en medicamentos para fines de control de calidad¹⁴.

El hexanitrocobaltato (III) de sodio Na₃[Co(NO₂)₆], conocido también como cobaltinitrito de sodio, es un compuesto de coordinación acreditado desde 1885. Su estructura y propiedades químicas son notorias desde hace tiempo¹. Este compuesto tiene una amplia aplicación en la química analítica incluyendo la determinación gravimétrica de cobalto y potasio^1-4, el análisis orgánico, la nitración^{1, 5} y catálisis⁶. El cobaltinitrito de potasio K₃[Co(NO₂)₆] (hexanitrocobaltato (III) de potasio, conocido como sal de Fischer) a diferencia de su análogo de sodio es poco conocido e insoluble en agua. Es utilizado en las composiciones de materiales curados⁸ y como colorante⁷.

El cobaltinitrito de potasio es un sólido cristalino de color amarillo, poco soluble en etanol, éter dietílico y ácido acético. Debido a su baja solubilidad en agua, el ion hexanitrocobaltato ([Co(NO₂)₆]^3-) ha sido utilizado en la química analítica para la determinación y cuantificación gravimétrica del ion potasio (K⁺) en disolución⁸.

El cobaltinitrito de potasio se disuelve en ácidos minerales fuertes para producir ácido nitroso (HNO₂) inestable que se descompone fácilmente, reduciendo el Co³⁺ a Co^{2+ 9}. En medio alcalino es descompuesto en su totalidad, lo que resalta la formación del precipitado hidróxido de cobalto de color café oscuro (Co(OH)₃) ¹⁰, como se observa en las figuras 1a y 1b:

a) Medio ácido

Na₃[Co(NO₂)₆] →Na₂K[Co(NO₂)₆] →NaK₂[Co(NO₂)₆] →

K₃[Co(NO₂)₆] + 6H⁺ → 6HNO₂ + Co³⁺ + 3K⁺

2Co³⁺ + HNO₂ + H₂O → 2Co²⁺ + NO₃^- + 3H⁺

b) Medio básico

Este trabajo pretende realizar la construcción de un sensor electroanalítico al ion potasio, utilizando técnicas electroquímicas miniaturizadas con el fin de aprovechar las aplicaciones que puedan tener para resolver problemas de interés en Química Forense, Medicina, Farmacia, Biología, etcétera.

Para los ensayos electroquímicos por imposición de potencial en polarografía o voltamperometría fue utilizado un potenciostato/galvanostato Tacussel® PGP201 acoplado a un graficador-XY Yokogawa® 3025 o conectado a una computadora con sistema operativo Windows 98® por medio de una interface RS232 con adquisición de datos utilizando el programa VoltaMaster® V 1.0, respectivamente. Se empleó una celda de vidrio con capacidad de 1 mL para los ensayos electroquímicos, así como un electrodo de trabajo de gota de mercurio (polarografía) o de platino (voltamperometría) (ET: Hg° o Pt°, auxiliar de acero (EA: acero) y de referencia plata|cloruro de plata (ER:Ag|AgCl↓ ) mostrado en la figura 2. Para mesurar las masas de los reactivos sólidos se empleó una balanza analítica Sartorius® BP210s; para los reactivos líquidos se midió el volumen con pipetas automáticas Eppendorf® con diversas capacidades de tirada. Para llevar a cabo la medición de la conductividad de las disoluciones correspondientes se utilizó una interface conductimétrica construida en nuestro laboratorio. Se trató de un oscilador que genera una onda triangular en lugar de la onda sinusoidal clásica (v = 1,2 MHz) que es aplicada a un multímetro que se encarga de medir la salida de potencial. Esto se realizó con el fin de evitar la polarización de los electrodos de trabajo y conseguir un estado de seudoequilibrio¹¹.

Análisis voltamperométrico de barrido lineal y triangular

Para el análisis voltamperométrico se realizó la determinación de la ventana electroactiva de 500 mL de amortiguador de ácetico/acetato (AcBS) 0,1 molL^-1 pH = 5 con burbujeo de nitrógeno (N₂) durante 2 min y con temperatura controlada a 4 ºC. El programa de perturbación ejecutado se realizó con velocidad de 500 mV min^-1 con potencial de inicio (E_inicial) de -0,8 V y final (E_final) de 1,5 V. El dominio de electroactividad es mostrado en la figura 3.

Se determinó la corriente de difusión (id) para cada uno de los registros con corrección por corriente capacitiva (icap). Se elaboraron los gráficos id = f([K⁺]) para determinar la linealidad de las curvas y observar la disminución de id en dominio anódico por la adición de potasio, observado en la figura 5.

Análisis conductimétrico del cobaltinitrito de sodio en medio amortiguado de AcBS

Se realizó un análisis conductimétrico para definir los intervalos de concentración óptimos para ser utilizados en la construcción de una curva de calibración para el ion potasio, mediante polarografía clásica. Una celda conductimétrica fue calibrada con una disolución estándar de cloruro de potasio (KCl) 0,01 molL^-1 a la temperatura de 4 ºC. Posteriormente se realizó la determinación de la conductividad (k) de la disolución de cobaltinitrito de sodio 2,5 mmolL^-1 en AcBS 0,05 molL^-1con adiciones estándar de KNO₃ 0,1 molL^-1, como se muestra en la figura 6.

Análisis polarográfico de barrido lineal en una celda electroanalítica con intervalo de concentraciones definidas para potasio

Se realizó el análisis polarográfico de barrido lineal dentro del dominio catódico de la ventana electroactiva para una alícuota de 25 mL de una disolución de cobaltinitrito de sodio 0,1 molL^-1 en 1,0 mL de AcBS 0,05 molL^-1 pH = 5 con burbujeo de N₂ durante 2 min y temperatura controlada a 4 ºC. Posteriormente fueron adicionadas a esta misma celda alícuotas de 10 mL de KNO₃ 0,002 molL^-1, y se realizaron los registros polarográficos correspondientes a cada adición de potasio. El programa de perturbación ejecutado se realizó a una velocidad de 2,5 mVs^-1 E_inicial = 0,1 V y E_final = -0,4 V para cada adición de potasio; las condiciones del graficador XY fueron velocidad 2,5 mVs^-1, valor del eje X 0,25 mVcm^-1 y valor del eje Y 5 mVcm^-1. En la figura 7, de manera conjunta, se muestran los registros obtenidos.

Se determinó la id para cada uno de los registros con corrección por icap. Se elaboraron los gráficos Did = f([K⁺]) para determinar la linealidad de la curva y observar la disminución de la corriente de difusión en dominio catódico por la adición estándar de potasio. La forma de determinar el Did se realizó mediante la diferencia entre el id del máximo polarográfico para los 25 mL del cobaltinitrito de sodio, menos el id del máximo polarográfico de la adición de potasio (figura 8).

Finalmente se realizó la cuantificación de la concentración de potasio de manera indirecta por la precipitación del hexanitrocobaltato (III) de potasio (K₃[Co(NO₂)₆] ) como reactivo piloto. La concentración de potasio se monitoreo mediante la reducción del Co³⁺ a Co²⁺ por polarografía clásica en diferentes muestras de tipo farmacéutico y clínico.

Se realizó la cuantificación de ion K⁺ mediante adiciones estándar de potasio a la muestra problema. Las condiciones iniciales fueron: disolución de cobaltinitrito de sodio 2,5 mmolL^-1 en 1,0 mL de AcBS 0,05 molL^-1 pH = 5; un volumen de 50 o 100 mL de muestra diluida y adiciones estándar de KNO₃ 0,002 molL^-1.

Las muestras para ensayar fueron las siguientes:

Muestra 1.Solución de electrolitos orales marca Pedialyte® 500 mL (Abbott Laboratories); el marbete especificó que el contenido de potasio es de 20 mEq por cada 100 mL de solución. Muestra 2. Grageas con recubrimiento entérico de KCl marca Kaliolite® 500 mg (Merck); el marbete especificó no menos del 90 %, y no más del 110 % de KCl por gragea. Muestra 3. Bebida energizante marca Gatorade® (Quaker Oats Company); la formulación indicó 30 mg de potasio por un tamaño de porción de 240 mL. Muestra 4. Suero humano de voluntarios sanos; el valor de referencia por emisión en llama para potasio es 2-8 mmolL^-1 y por electrodo selectivo a iones es 2-10 mmolL^{-1 12, 13}. La cuantificación de potasio para diferentes muestras se observa en la figura 9.

Fig. 9a Resultados de la muestra Pedialyte®

Todos los registros voltamperométricos de barrido lineal y triangular fueron realizados en una celda electroanalítica a tres electrodos (ET: Ptº, EA: Acero y ER: Ag/AgCl) con amortiguamiento del pH en la disolución del cobaltinitrito de sodio. Se sabe que en medios fuertemente ácidos se produce ácido nitroso (HNO₂) inestable, que se descompone fácilmente reduciendo el Co³⁺ a Co²⁺; se utilizó un amortiguador de acetatos (AcBS) pH = 5 para asegurar una precipitación adecuada del cobaltinitrito de potasio, la temperatura de 4 ºC para tratar de obtener un precipitado y no posibles mezclas de ellos con sodio y potasio ya reportados^{15, 16}.

Se obtuvo el registro voltamperométrico de la ventana electroactiva del amortiguador AcBS mediante burbujeo con N₂ para eliminar la señal asociada al O₂ y CO₂ que son electroactivos en ese intervalo de potencial, y se determinó la corriente capacitiva (icap) asociada al medio de reacción para hacer las correcciones adecuadas a cada registro analizado; se midió el potencial de barrera catódica y anódica y se encontraron valores de -750 mV y 1 400 mV, respectivamente (figura 3).

Se llevaron a cabo las mediciones de corriente de difusión (id) dentro del dominio anódico en cada una de las adiciones de potasio; esta id posiblemente se asocia a la señal de oxidación de Co²⁺ a Co³⁺ que se encuentra de forma remanente por la descomposición del complejo. La señal observada presentó un potencial de media onda (E^1/2) alrededor de 650 mV/Ag|AgCl↓.

En el registro voltamperométrico se aprecia una reacción irreversible al no presentar señal de reducción correspondiente (figura 4). Se encontró que la id asociada a la oxidación es proporcional (id α[K⁺]) a la concentración de potasio adicionada en la celda electroanalítica; esta relación se analizó mediante una regresión lineal para curvas de calibración por adición de potasio en voltamperometría lineal y triangular y se encontró proporcionalidad (figura 5).

Posteriormente se realizó un análisis conductimétrico del cobaltinitrito de sodio 2,5 mmolL^-1 en medio amortiguado de AcBS 0,05 molL^-1 pH = 5. Este estudio propone intervalos de concentración óptimos de potasio con tendencia lineal (κα[K⁺]) para construir curvas de calibración mediante polarografía clásica. La celda conductimétrica previamente calibrada con estándar de potasio 0,01 molL^-1, fue utilizada para determinar la conductividad específica (κ) de la disolución de cobaltinitrito de sodio con adiciones de KNO₃ 0,1 molL^-1 a 4 °C; se observó la respuesta conductimétrica en función de la concentración y se apreció que existen varios intervalos analíticos con valores de pendiente distintos. Estos cambios se pueden asociar a estequiometrías diferentes en la formación del complejo cobaltinitrito de sodio-potasio (figura 6).

La posible razón estequiométrica que sucede al adicionar potasio es la siguiente:

Na₃[Co(NO₂)₆] →Na₂K[Co(NO₂)₆] →NaK₂[Co(NO₂)₆] →K₃[Co(NO₂)₆]

Los intervalos de concentraciones fueron definidos en cada cambio de pendiente dentro del análisis conductimétrico (0–4,6) mmolL^-1, (4,6–7,8) mmolL^-1 y (7,8–10,8) mmolL^-1. Realizado el estudio conductimétrico, se procedió a realizar un análisis polarográfico de barrido lineal con intervalo de concentraciones definidos para potasio. Se realizó el ensayo polarográfico en una celda electroanalítica a tres electrodos (ET: Hgº, EA: acero y ER: Ag|AgCl↓) de la disolución de cobaltinitrito de sodio 2,5 mmolL^-1 en medio amortiguado con AcBS 0,05 molL^-1 pH= 5 con adiciones de KNO₃ 0,002 molL^-1, 4 °C y burbujeo de N₂. Se observó una señal asociada a la id dentro del dominio catódico para la reducción del Co³⁺ a Co²⁺, se midió un E^1/2 alrededor de -0,12 V/Ag|AgCl↓y se detectó la aparición de un máximo polarográfico en cada una de las mediciones realizadas (estándares de potasio y muestras a analizar) con un E = -0,24 V/Ag|AgCl↓(figura 7); se adicionaron algunos tensoactivos (Triton X100® o rojo de metilo) para mitigar este comportamiento, pero sin éxito alguno.

En la figura 8 se muestra la curva de calibración correspondiente a potasio acoplada a polarografía clásica para determinar, de manera indirecta, la concentración del ion potasio mediante la disminución de la id ocasionada por las especies de cobalto sujetas a la reducción. Se encontró que la id asociada a la reducción es proporcional (idα[K⁺]) a la concentración de potasio adicionada en la celda electroanalítica, esta relación se analizó mediante una regresión lineal para curvas de calibración por adición de potasio en polarografía lineal, verificando su linealidad (figura 8). Se realizó una serie de análisis en diferentes tipos de muestra con el fin de comparar nuestros resultados de la concentración de potasio con los valores de referencia reportados. La muestra de electrolitos orales marca Pedialyte® obtuvo un valor promedio de 23,938 mEq/100 mL comparado con los 20 mEq/100 mL, como se parecia se trata de concentraciones cercanas entre sí.

En el caso de las grageas con recubrimiento entérico marca Kaliolite® se obtuvo un valor promedio de 500,416 mg de KCl/gragea comparado con los 500 mg de KCl/gragea que indicó el marbete; este resultado corresponde y cumple con la especificación que manejan las farmacopeas mexicana y estadounidense de no menos de 90 % y no más de 110 % de contenido de KCl. La bebida energizante marca Gatorade® obtuvo un valor promedio de 21,6 mg/240 mL comparado con los 30,0 mg/240 mL que indicó la formulación referencia; se observó que la cantidad de potasio fue menor a lo esperado, hecho que puede ser justificado por el efecto matriz de la bebida energizante.

En la literatura se ha encontrado que la formulación de estas bebidas contiene algunas pequeñas cantidades de aceites vegetales que tienen la función de producir microemulsiones para estabilizar los colorantes liposolubles, por lo que creemos que la cantidad de potasio en la disolución puede encontrarse disminuido por encapsulamiento en las gotas de emulsión, por lo que sugerimos realizar un estudio más exhaustivo para el tratamiento de muestra. Por último, la cantidad de potasio contenido en suero humano obtuvo un intervalo de 16,62–23,22 mmolL^-1, comparado con (2–10) mmolL^-1 como referencia para emisión en llama y electrodo selectivo a iones.

En este análisis se obtuvo que la cantidad de potasio es mayor que lo esperado; en la literatura se encontró que el efecto matriz del suero humano causa interferencia con el electrodo goteante de mercurio, lo que se halla asociado a procesos de adsorción molecular con las proteínas, que trae consigo la posibilidad de aumento de potasio.

CONCLUSIÓN

Se realizó la construcción de la microcelda necesaria para la determinación de potasio en pequeñas cantidades de muestra.

Se logró la determinación cuantitativa de potasio de manera indirecta mediante la utilización de técnicas electroquímicas al acoplar una determinación de potasio cualitativa, utilizando el hexanitrocobaltato(III) de sodio que precipita como complejo de hexanitrocobaltato (III) de potasio (K₃[Co(NO₂)₆]) como reactivo piloto.

Se determinó la conductividad de la disolución de cobaltinitrito de sodio con adiciones de potasio estándar a fin de detectar intervalos de concentración que guarden un comportamiento lineal para la elaboración de curvas de calibración en polarografía clásica.

Mediante la reacción de precipitación acoplada a técnicas electroquímicas de análisis puede ser monitoreada indirectamente la cantidad de potasio en diferentes muestras de interés farmacéutico y clínico.

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Recibido: 05/04/2014
Aceptado: 20/05/2014

MSc. Allan N. Domínguez-Romero, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, D.F., México, allannoe@comunidad.unam.mx