ES2257540T3 - Procedimiento y dispositivo para la deteccion de la presencia de isotiocianato de metilo en muestras de aire. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para la detección de isotiocianato de metilo en muestras de aire de suelo, donde se toma una muestra de aire de suelo, la muestra de aire de suelo tomada se pone en contacto con, al menos, un sensor sensible a masas que contenga, al menos, una microbalanza de cuarzo, dicha microbalanza de cuarzo está recubierta por una capa superficial que es selectiva del isotiocianato de metilo y contiene microciclos y/o dendrímeros, los cambios de masa del sensor se detectan en forma de señales eléctricas y las señales eléctricas se analizan.

Description

Procedimiento y dispositivo para la detección de la presencia de isotiocianato de metilo en muestras de aire.

La presente invención trata de un procedimiento y un dispositivo para la detección de MITC en muestras de aire.

Los suelos usados en la agricultura o la horticultura pueden verse infestados de organismos dañinos para las plantas, también conocidos como fitopatógenos, como nematodos, insectos moradores del suelo, plantas germinantes, bacterias del suelo u hongos del suelo. Por ejemplo, la pérdida de producción resultante del ataque a plantas útiles por parte de nematodos del suelo o nematodos de las raíces se estima en un 12% mundial aproximadamente, lo que se traduce en una pérdida de ingresos para los productores de al menos 7 mil millones de dólares estadounidenses. Además, las regulaciones internacionales de cuarentena de plantas especifican que el material vegetal que se exporte e importe debe estar libre de nematodos y, también, que se cultive en suelos libres de nematodos. Por ello, con frecuencia, resulta necesario que se desinfecten los suelos agrícolas antes de la siguiente siembra o replantación, por ejemplo, mediante el tratamiento con fungicidas o nematicidas.

En la mayor parte de los casos, para la desinfección del suelo se emplea lo que se conoce como fumigantes (generadores de humo o productos generadores de gas para el suelo). Los fumigantes, por lo general, se aplican en la forma líquida o en la forma sólida. Mientras que las formulaciones líquidas actúan en el suelo debido a su alta presión de vapor, los compuestos sólidos que se introducen en el suelo en forma de, por ejemplo, gránulos, se desintegran, en presencia de la humedad del suelo, en forma de compuestos activos gaseosos biocidas. Los preparados se difunden a través del sistema capilar del suelo, donde entran en el contacto con los parásitos y actúan como un veneno respiratorio. Los fumigantes también pueden actuar como venenos de contacto tras el contacto directo.

Durante las recientes décadas, el bromuro de metilo ha sido el producto generador de gases más extensamente utilizado para el suelo. Sin embargo, se sabe que el bromuro de metilo es una sustancia que contribuye al daño de la capa de ozono de la tierra. Por esa razón, en 1997, más de 100 países decidieron, en una conferencia complementaria al "Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono" que el bromuro de metilo no se debía seguir utilizando más allá de 2005 en los países industriales y de 2015 en los países en vía de desarrollo. En 1998, el Congreso de los Estados Unidos, en armonización con el "Protocolo de Montreal", pospuso hasta 2005 una prohibición sobre el bromuro de metilo que ya estaba planificada para entrar en vigor en 2001.

Esta es la razón por la que en lugar del bromuro de metilo, cada vez más entran en consideración otros desinfectantes para el suelo.

Así, en la patente estadounidense US-A 2,838,389 se describe la utilización de tetrahidro-3,5-dimetil-1,3,5-tiadiacina-2-tiona, de la fórmula

100

con la denominación de "dazomet", como producto para la desinfectación de suelos en la agricultura y la horticultura. Cuando se aplica el dazomet, se libera como agente bioactivo real el isotiocianato de metilo (MITC), de la fórmula

Me - N = C = S

El dazomet por sí solo constituye, por lo tanto, lo que se conoce como profármaco precursor. En la literatura más reciente, se describe la desinfección del suelo con dazomet en forma de Basamid® granulado (Basamid es una marca registrada de BASF AG, Ludwigshafen) en Forest Prod. J. 43(2) (1993), págs. 41-44; en Acta Horticulture 382 (1995) págs. 110 et seq. y en Fand Fiber Science 27(2) (1995), págs. 183-197.

El Basamid® granulado es un material sólido relativamente inerte que se activa solamente tras su aplicación sobre suelo húmedo. El campo de aplicación preferido para el Basamid® se encuentra en el cultivo de plantas ornamentales, verduras y tabaco, en viveros, en el cultivo de fruta, viñedos y lúpulo, y en la desinfección del suelo de invernadero y de compost. El Basamid® granulado, que contiene entre un 98 y un 100% de dazomet, es de aplicación abrasiva y se incorpora en el suelo a una profundidad de 20 a 30 cm, pero, si fuera necesario, a una profundidad de 50 cm. Posteriormente, el suelo, por lo general, se cubre con una lona de plástico par conservarlo húmedo durante el tiempo de tratamiento y evitar una pérdida excesivamente temprana del componente gaseoso activo.

Otro desinfectante líquido para el suelo que, como el dazomet, libera MITC, es el metilditiocarbamato sódico, que se vende bajo las denominaciones comerciales VAPM, METHAMFLUID, AAMONAN o DICID. El MITC se utiliza con frecuencia para el gaseado, de manera directa o como formulación, bajo las denominaciones comerciales TRAPEX y VORAX. También se puede utilizar como mezcla con Metam. El agente se utiliza normalmente como una solución con un 20% de fuerza en un disolvente orgánico, cuya finalidad es la de potenciar la volatilidad del ingrediente activo.

Otro desinfectante líquido para el suelo y nematicida es el 1,3-dicloropropeno (1,3-DCP), que se vende bajo la denominación comercial DCP 50, SCHELL-DD, TELONE o DI-TRAPEX y que también se puede utilizar en combinación con el MITC.

Los productos generadores de gases para el suelo conocidos muestran una elevada fitotoxicidad. Por lo tanto, solamente se pueden utilizar en las zonas a tratar cuyas cosechas ya se hayan recogido. Después de cada aplicación de un desinfectante para el suelo, debe transcurrir un determinado tiempo de espera antes de volver a plantar o sembrar plantas útiles y plantas de cultivo, con el fin de asegurarse de que no hay riesgo a sufrir efectos adversos en las cosechas recién sembradas o recién plantadas.

Sin embargo, se conoce relativamente poco sobre la activación, la liberación y la degradación de las sustancias bioactivas de los productos generadores de gases para el suelo anteriormente nombrados. Factores importantes que afectan al metabolismo de los productos generadores de gases para el suelo son, no obstante, la temperatura, el contenido de agua y el pH del suelo. También el tipo de suelo, ya que, por ejemplo, la presencia de metales de transición juega un cierto papel en este contexto.

De la misma manera, la aplicación de fertilizantes y otras sustancias ejerce un efecto considerable sobre la proporción en la que se liberan, desde el suelo, los productos generadores de gas para el suelo. Así, no ha sido hasta hace poco que se ha demostrado que los fertilizantes que contienen tiosulfatos reducen la volatilidad del 1,3-DCP, que por lo general es elevada (Gan et al., Journal of Environmental Quality 29(5) (2000), págs. 1476-1481).

Debido a esta multiplicidad de factores decisivos, la concentración de MITC o 1,3-DCP en el suelo, en función del tiempo en el caso de un uso específico, no se puede estimar con cierto grado de exactitud ano ser que se lleven a cabo mediciones.

Sin embargo, no sólo resulta importante para el usuario el conocimiento exacto del contenido residual de MITC y 1,3-DCP en el suelo, debido a la fitotoxicidad de las sustancias, sino que se hace necesaria la supervisión del aire ambiental y de la atmósfera ambiental por motivos de seguridad laboral, debido a la acción tóxica de estas sustancias. Así, se ha demostrado que, al utilizar dazomet granulado, el MITC se libera de manera muy rápida si la temperatura del suelo se encuentra por encima de los 30ºC y la humedad del suelo es lo suficientemente alta. En el caso concreto de su utilización en invernaderos, se ha observado, al aplicar los gránulos en el suelo, que el MITC liberado puede provocar irritaciones temporales de la membrana mucosa y de los ojos, si la ventilación y la manipulación no son las adecuadas. Se sabe también que en este contexto el metam-fluido o el metam-sodio solamente se pueden utilizar, de manera limitada, dentro del invernadero, ya que tienden a desarrollar el gas muy rápidamente y en grandes cantidades, o que ya no está autorizada su aplicación, como es el caso de, por ejemplo, California. Sin un procedimiento de determinación rápido y fiable, existe el riesgo de que los trabajadores agrícolas y otros usuarios, se expongan innecesariamente a la liberación de grandes concentraciones de MITC o 1,3-DCP y/o durante mucho tiempo.

Se conoce varios procedimientos HPLC y GC como procedimientos analíticos o cromatográficos para detectar los gases de suelo MITC y/o 1,3-dicloropropeno (véase, por ejemplo, Subramanian, Environm. Toxicol. Chem. 15 (1996), págs. 503-513). Así, por ejemplo, el procedimiento para detectar la exposición al nematicida cis-1,3-dicloropropeno (el cis-DCP), por parte de los trabajadores agrícolas en el cultivo de la patata, y para determinar sus efectos en los humanos, se ha llevado a cabo, hasta ahora, mediante el análisis de orina. No ha sido hasta hace poco que se ha averiguado, gracias a un estudio holandés, que el límite legal máximo sobre la exposición diaria se excedía en más de un 20% de los días durante el período de observación (Brouwer et al., Occupational and Environmental Medicine, 57(11) (2000), págs. 738-744).

De la misma manera, también se conocen procedimientos, químicos, químicos por vía húmeda, orgánicos e inorgánicos, de detección de isotiocianatos. De este modo, en Bull. Chem. Soc. Jap. 52, (1979), págs. 2155-2156, se da a conocer un procedimiento para la detección de isotiocianatos con monocloruro de yodo mediante la formación de alquiltioureas, consistente en hacer reaccionar los isotiocianatos con alquilamina.

Sin embargo, estos procedimientos de detección no resultan los suficientemente precisos, o son tan complicados que solo se pueden llevar a cabo en laboratorios bien equipados. Estos métodos no resultan, por lo tanto, convenientes para su utilización cotidiana por parte del usuario de productos de protección para las cosechas.

Después de la aplicación de metam-sodio, 1,3-dicloropropeno y/o dazomet, sin embargo, resulta particularmente importante para el usuario que se compruebe la presencia de cantidades residuales de MITC y/o 1,3-DCP en el suelo que aún no haya sido mineralizado o degradado. Si este es el caso, el usuario debe dejar que transcurra un cierto tiempo de espera, ya que las cantidades residuales de estos materiales que quedan en el suelo, pueden provocar daños en las plantas cuando se planten o se siembren nuevas plantas útiles y cosechas. En especial, si se utiliza el producto sólido dazomet, la detección de MITC resulta particularmente importante, ya que, como ya ha descrito anteriormente, la liberación y mineralización del MITC se ve enormemente afectada por la estructura del suelo, la temperatura, la humedad, el tipo y la concentración de fertilizante y otros factores.

Por norma general, los usuarios utilizan actualmente un sistema biológico de comprobación que utiliza semillas de berro o de tabaco, y que ha sido desarrollado expresamente para un uso local. Este sistema se basa en el hecho de que la germinación de estas semillas se inhibe a causa de la presencia de cantidades diminutas de MITC y, por lo tanto, indican, de manera indirecta, la presencia de MITC residual. Sin embargo, esta prueba, que se conoce como la prueba del berro, es complicada y requiere, a su vez, que transcurran varios días hasta que se pueda comprobar que, por ejemplo, el berro ha germinado, es decir, crece. Otra desventaja de dicha prueba biológica consiste en la detección falsa positiva o la detección falsa negativa o indicación de MITC, por ejemplo, a causa de imperfecciones en el control del regadío.

Por el documento de patente internacional WO 99/66304 se conoce un procedimiento y un dispositivo para la detección de trazas de analitos, que utiliza una olfatometría artificial. Aunque de manera preliminar se emplee para aplicaciones médicas como la detección de halitosis y de enfermedades periodontales, se mencionan brevemente otros numerosos campos de aplicación, como la detección de fumigantes, y numerosos tipos de sensores diferentes. Sin embargo, excepto por la sugerencia de proporcionar un concentrador de fluidos, la WO 99/66304 no da a conocer ninguna instrucción técnica en lo concerniente a cómo detectar de manera fiable trazas de analitos en muestras de aire. Sobre todo, tal documento no se ocupa de la detección de MITC o de 1,3-DCP.

La US-A-5639956 da a conocer un dispositivo para la detección electroquímica de hidrocarburos clorados y gases permanentes en muestras de aire del suelo. Ya se han desarrollado microbalanzas de cuarzo recubiertas con cavidades para la detección selectiva de hidrocarburos clorados y de compuestos aromáticos tóxicos en presencia de gases permanentes (Dalcanale et al., Sensors and Actuators B, 24-25 (1995) 39-42).

Heil et al. investigaron acerca de sensomateriales basados en dendrímeros o macrociclos para la detección de compuestos de carbonilo cubiertos con microbalanzas de cuarzo (Heil et al., Sensors and Actuators B, 61 (1991) 51-58).

Ya se ha desarrollado un biosensor para la detección sensorial de isotiocianato de metilo (MITC) (Iwuoha et al. Analytical Chemistry, 69(8) 1674-1681 (1997)). Dicho biosensor emplea electrodos enzimáticos amperométricos que funcionan en fases líquidas orgánicas (OPEEs=organic phase enzyme electrodes). Gracias a su disponibilidad, estos compuestos, que se califican como sustratos para las oxidoreductasas, se pueden detectar en un disolvente adecuado, es decir, en una fase líquida, sin necesidad de una preparación complicada de la muestra. Antes de que los OPEEs estuvieran disponibles, solo era posible detectar aquellos analitos que fueran hidrosolubles. Sin embargo, las señales sensoriales emitidas por los OPEEs son considerablemente más débiles que las señales sensoriales emitidas en el agua por aquellos electrodos que tienen enzimas naturales inmovilizadas sobre ellos. Según Iwuoha et al. (arriba), la sensibilidad de los OPEEs se puede mejorar de dos maneras: o las enzimas naturales se utilizan en una mezcla disolvente compuesta por un medio orgánico (por ejemplo acetonitrilo, CH_{3}CN), y agua, o las enzimas naturales se modifican alterando sus unidades aminoácidas, es decir, que se utilizan enzimas artificiales. Cada uno de dos tipos de biosensores descritos por Iwuoha et al. hace uso de uno de los dos principios. La peroxidasa de rábano (HRP) actúa universalmente como enzima de base. Esta enzima reacciona con H_{2}O_{2} y genera una señal sensorial. Sin embargo, dado que el MITC inhibe a la HRP, una concentración existente de MITC altera el comportamiento de respuesta del biosensor, adecuadamente cubierto, hacia una concentración particular de H_{2}O_{2}. Las enzimas modificadas, que se adaptan para esta finalidad, son, o una HRP que se modifica con el agente homobifuncional del ácido subérico bis(éster de N-hidroxisuccinimida) para producir SA-NHS, o una enzima modificada con el glicol de etileno bis(éster de N-hidroxisuccinimida) para producir EG-NHS. Los electrodos se prepararon con la ayuda de una técnica de complexación electrostática descrita en la literatura.

Sin embargo, el biosensor MITC conocido no resulta conveniente para su empleo en la práctica agrícola y hortícola, puesto que el analito gaseosa se debe disolver en primer lugar en un disolvente adecuado y luego, una vez disuelto, entrar en contacto con el propio sensor. Tal sensor no solo resulta caro en su preparación, debido a los contenedores necesarios para los disolventes nuevos y usados, para los líquidos de lavado y para los gases de lavado y su correspondiente disposición en línea, sino que, además, resulta muy pesado y muy complicado y delicado de manejar, por lo que no resulta apto como dispositivo analítico móvil. Además, la sensibilidad de detección que se puede alcanzar es demasiado baja para su aplicación en la agricultura y en la horticultura.

Un objetivo de la presente invención es el de abordar el problema técnico de proporcionar un procedimiento sencillo y fiable para detectar MITC en muestras de aire, procedimiento que se puede utilizar in situ por parte del usuario de desinfectantes de suelo, ya sea en la agricultura o en la horticultura, y que sea lo suficientemente sensible como para detectar de manera fidedigna y exacta las cantidades residuales de fumigantes en el aire del suelo o en el aire ambiental. En particular, se pretende que con la utilización del procedimiento acorde a la invención se eviten los riesgos que surgen al plantar o sembrar plantas útiles y plantas de cultivo, por ejemplo, después del uso de Basamid, sin que el usuario tenga la necesidad de recurrir a la prueba del berro, que resulta complicada y consume mucho tiempo, que se ha venido utilizando hasta ahora. También se pretende proporcionar un procedimiento para controlar los agentes fitopatógenos mediante desinfectantes del suelo y que permita hacer un uso más fiable y controlado de los desinfectantes del suelo. Por último, se pretende proporcionar un dispositivo económico y compacto que permita detectar MITC en las muestras de aire, dispositivo que se pueda utilizar sin tener conocimientos de química analítica y que se pueda emplear como dispositivo analítico portátil compacto y ligero.

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Para solucionar estos problemas técnicos la invención propone la medición del MITC en muestras de aire utilizando quimiosensores. Los quimiosensores son sensores que convierten una variable mensurable, específica para una sustancia química, en una señal, en particular una señal eléctrica, que se puede evaluar. Tales sensores se pueden basar en diferentes principios físicos de medidas. Así, por ejemplo, como elemento sensor sensitivo se puede utilizar un elemento semiconductor, como un metal-óxido-semiconductor (MOS) o un transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET), aunque también los polímeros eléctricamente conductivos que se conocen como sensores basados en polímeros conductores (CPS). Sorprendentemente, se ha averiguado ahora que los sensores sensibles de masa cubiertos con una capa superficial selectiva para la detección de MITC, resultan especialmente adecuados para la detección de MITC en muestras de aire, con el nivel de sensibilidad requerido para su empleo en la agricultura y la horticultura.

Se conocen sensores sensibles de masa, por ejemplo, como las "microbalanzas de cuarzo" (QMB) o como "dispositivos de ondas acústicas superficiales" (SAW). Las microbalanzas de cuarzo se utilizan, por ejemplo, en la fábricas de recubrimiento, en las fábricas de erosión superficial, para supervisar el grosor de las capas. Por lo general, se integra un oscilador de cristal de cuarzo en un circuito resonante eléctrico. El cristal de cuarzo entra en contacto con los electrodos metálicos y, aprovechando el efecto piezoeléctrico inverso, es estimulado por una frecuencia típica del rango de radiofrecuencia, que se corresponde con una frecuencia mecánica natural del cristal. Esto provoca la estimulación de oscilaciones resonantes, que determinan una frecuencia de oscilación estable del circuito resonante. Ahora la frecuencia resonante depende de la masa del oscilador de cristal, de modo que los cambios de masa, debido, por ejemplo, a la absorción o la adsorción de un analito, se pueda detectar como cambios de la frecuencia resonante. Los cambios de frecuencia en el rango de 1 Hz se pueden medir con circuitos de puente eléctri-
cos.

La presente invención tiene por objeto la consecución de un procedimiento para la detección de MITC en muestras de aire, según la reivindicación 1.

Conforme a la invención, el MITC se puede detectar, por ejemplo, en el aire del suelo de los suelos que se hayan tratado con desinfectantes para el suelo. El sensor sensible a masas también se puede utilizar para detectar MITC en el aire que se encuentra alrededor del suelo, preferentemente hasta un nivel de entre 1 y 3 m sobre la tierra o en el aire ambiental, en particular en invernaderos, con el fin de supervisar la exposición de los trabajadores agrícolas o de los trabajadores en los invernaderos.

El sensor sensible a masas se utiliza de manera preferente para detectar MITC. No obstante, el sensor sensible a masas también se puede utilizar para detectar otros fumigantes gaseosos, en especial para la detección de bromuro de metilo y/o 1,3-dicloropropeno (1,3-DCP).

El sensor se equipa con una capa que sea tan selectiva como sea posible de la sustancia a ser detectada, por ejemplo el MITC. Lo ideal sería, por lo tanto, que bastara con un solo sensor con una capa altamente específica para detectar la sustancia de interés. Sin embargo, en las muestras de aire se encuentran múltiples sustancias diferentes, en especial en el caso de las muestras de aire tomadas sobre el suelo en el sector agrícola. Además de los gases presentes en el aire atmosférico, el aire del suelo muestra un contenido incrementado de CO_{2} (normalmente entre el 0,3 y el 3,0% del volumen, y en algunos casos hasta el 10% del volumen), principalmente como consecuencia de la degradación provocada por los microorganismos de las sustancias orgánicas biodegradables. Además, en el suelo se forman otros gases a causa, principalmente, de los procesos microbianos. Según el tipo de sustancia presente, y las condiciones de Eh-pH de los diferentes suelos, que cambian de estación a estación, estos gases pueden ser, por ejemplo, N_{2}O, NO, NO_{2}, NH_{3}, SO_{2}, H_{2}S, CH_{4}, C_{2}H_{4}, y otras sustancias con una presión de vapor relativamente elevada. Además, dependiendo del grado de contaminación del aire ambiental y de los suelos, resulta normal que en el aire del suelo se encuentren compuestos volátiles orgánicos como combustibles, disolventes y otros compuestos, procedentes de fuentes antropogénicas. Hace aproximadamente 15 años, se detectó en grandes extensiones de suelo no contaminado en el sur de Alemania, la presencia de tetracloroetileno en el aire del suelo en una proporción de entre 0,1 y 112 \mug/m^{3}, así como contenidos de concentraciones similares de tricloroeteno y tricloro-
etano.

Por lo general, los sensores sensibles a masas recubiertos exhiben una sensibilidad más o menos acusada para los componentes individuales, aunque normalmente múltiples, de las mezclas de gases. Loa quimiosensores exhiben normalmente un grado de sensibilidad similar a las sustancias de naturaleza relacionada debido a lo que se conoce como sensibilidades cruzadas. Para distinguir las diferentes sustancias, o para detectar de manera inequívoca un solo compuesto químico, se requiere, por lo general, la utilización de varios sensores combinados de manera adecuada, lo que se conoce como matrices de sensores. Tales sistemas, basados en un amplio rango de principios quimiosensoriales de medidas, ya se han descrito en la literatura, para su utilización en otros campos aparte de el de la detección de fumigantes, bajo la denominación de "narices electrónicas".

Por lo tanto, de acuerdo con la invención, se preferirá la utilización de varios sensores que, de manera preferente, estarán recubiertos por diferentes capas selectivas. En principio, cuanto menos específicos a las sustancias a detectar sean los recubrimientos de cada uno de los sensores y cuanto más amplio sea el rango de aplicación de la matriz de sensores, más sensores se requerirán. Para detectar el MITC, se emplean preferentemente entre dos y doce, y en particular aproximadamente seis, sensores diferentes.

Sin embargo, las capas selectivas descritas hasta ahora en la literatura resultan inadecuadas o no lo bastantemente sensibles como para detectar fumigantes en muestras de aire. Los criterios de selección para la elección y la combinación de las capas adecuadas se describen, por ejemplo, por parte de Nakamura et al., Sensors and Actuators B 69/3, 295-301 (2000). Además, se describen sistemas sensoriales piezoeléctricos con electrodos de oro y cristales de cuarto en corte AT que están recubiertos de polidimetilsiloxano, polieteruretano, polietilcelulosa o policianopropilmetilsiloxano y que se disponen como una matriz compuesta por 4 sensores piezoeléctricos. Los cristales se colocaron en una cámara que se puede mantener a una temperatura constante y que estaba dotada con una entrada y una salida de gas. Mediante un ordenador personal se controlaba la recolección de datos, la mezcla de gases y su flujo por la cámara. La normalización de las concentraciones de gases en la cámara y de la sensibilidad de los sensores, se realizó por exposición isotérmica a la temperatura ambiental. Las concentraciones de gases oscilaba entre 100 y 1000 ppm en el caso del tolueno y el cloroformo, y entre 250 y 2000 ppm en el caso del n-octano.

Sorprendentemente, se ha descubierto ahora que un recubrimiento del sensor sensible a masas con macrociclos y/o dendrímeros da lugar a una capa particularmente adecuada para la detección de MTIC. Tales capas ya se han descrito, por ejemplo, en relación con la detección gravimétrica de vapores de disolventes por parte de Ehlen et al., Angew. Chem., Int. Edit. English 32, 111-112 (1993). Además, tales capas selectivas se han utilizado para la detección de compuestos de carbonilo y de amoníaco en la fase gaseosa.

El campo de aplicación preferido del sensor acorde a la invención es el del sector agrícola, donde, además, se pretende que sea utilizado por parte de operadores menos versado en el campo de la instrumentación. Por lo tanto resulta deseable que el sensor sensible a masas sea, sobre todo, robusto, de fácil utilización y económico. Para que se produzca una medición sumamente sensible, no obstante, los fumigantes que se vayan a detectar, en primer lugar se concentrarán, en una forma de ejecución preferida de la invención, antes del entrar en contacto con el sensor sensible a masas. Con esta finalidad, por ejemplo, el gas de suelo se puede pasar en primer lugar a través de un adsorbedor o absorbedor, fabricado, por ejemplo, de gel de sílice o "TENAX", o sea, que en primer lugar el analito se condensa y luego se le entrega al sensor en forma concentrada con la ayuda de un gas inerte (por ejemplo aire o nitrógeno).

Ventajosamente, además, se determinará el contenido de humedad de la muestra de aire, de manera que, por ejemplo, en el caso de que haya un aire excesivamente seco, se obtengan indicaciones de que la transformación del dazomet presente en el suelo sea insuficiente. En el caso de un aire excesivamente seco, por ejemplo, resulta viable indicar, mediante una señal, que la lectura puede no ser fiable ya que puede quedar aún en el suelo más dazomet que no haya reaccionado.

Para medir las muestras de aire del suelo, por ejemplo, se puede introducir una sonda en el suelo a una profundidad de entre varios centímetros hasta varias decenas de centímetros, y así extraer una cantidad específica de aire a través de la sonda mediante una bomba de succión, y hacerla pasar por delante del sensor sensible a masas. La sustancia a detectar se deposita sobre el sensor sensible a masas y modifica la frecuencia resonante de un circuito de resonancia integrado en el sensor.

Según otra forma de ejecución acorde a la invención, se introduce en un recipiente la muestra, por ejemplo unos 100 g, del suelo que se vaya a analizar, y luego se extrae el aire que contiene los fumigantes liberados de la muestra del suelo, y se pasa a una cámara de medición que contiene la matriz de sensores.

Con el fin de incrementar la precisión de la medida, cabe la posibilidad de eliminar la humedad de la muestra de aire antes de introducirla en la cámara de medición.

La presente invención también trata de un procedimiento para el control de los fitopatógenos, que comprende el tratamiento del suelo con una cantidad efectiva de un producto generador de gases para el suelo y una posterior detección de los fumigantes liberados mediante el procedimiento anteriormente descrito, haciendo uso de un sensor sensible a masas.

La presente invención tiene por objeto, además, la consecución de un dispositivo para la detección de MITC en muestras de aire, según la reivindicación 7.

Como sensor sensible a masas se utiliza al menos una microbalanza de cuarzo. El resonador de cristal constituye un resonador piezoeléctrico en un circuito eléctrico resonante. Los cambios de la masa en el resonador provocan un cambio en la frecuencia resonante del circuito resonante, que se puede evaluar de manera electrónica.

Preferiblemente se utiliza una matriz de sensores sensibles a masas de los que, al menos uno, es un sensor recubierto por una capa superficial selectiva del MITC a ser detectado. Preferentemente, sin embargo, varios sensores se recubren con diferentes capas selectivas diferentes y las señales obtenidas se evalúan mediante lo que se conoce como métodos quimiométricos.

La capa superficial selectiva del MITC a ser detectado comprende, de manera preferente, macrociclos, por ejemplo macrociclos del tipo lactama amida, y/o dendrímeros. Se averiguó que si se adaptaba de manera adecuada la composición molecular de los macrociclos y/o dendrimeros citados, se podía obtener gran selectividad de la capa para la incorporación/adsorción de MITC.

Según una variante preferida del dispositivo acorde a la invención, se proporciona, además, al menos una unidad de concentración para el MTIC a detectar.

Preferentemente, se coloca, corriente arriba, una barrera contra la humedad o el vapor en el sendero del fluido de la cámara de medición, que es permeable para los fumigantes que se tengan que detectar e impermeable para la humedad contenida en la muestra de aire. Preferentemente, dicha barrera contra la humedad contiene una película de polietileno de baja densidad lineal (LLDPE). En una forma de ejecución que incluye un recipiente de muestras para el suelo que se vaya a analizar, la barrera contra la humedad puede ser una bolsa de LLDPE o un papel de cubierta que se puede rellenar con el material del suelo. Normalmente, el grosor de la película de LLDPE es de entre 5 y 50 \mum, de manera preferente de entre 5 y 10 \mum. De este modo, la bolsa desechable de LLDPE no sólo servirá como una barrera contra la humedad, sino también permitirá que el recipiente permanezca limpio después de cada uso (por ejemplo, una caja hecha de acero inoxidable u otra superficie que no detenga los fumigantes).

El dispositivo de detección acorde a la invención se puede fabricar de manera que resulte robusto y económico, así como de manera conjunta con una unidad de concentración para dar lugar a un dispositivo muy compacto. En concreto, se puede fabricar un analizador portátil con el dispositivo acorde a la invención. Para su utilización en la agricultura, por ejemplo, el analizador puede contar con una sonda a modo de barra que se pueda enterrar en el suelo para tomas las muestras.

También se pueden fabricar analizadores inmóviles que comprendan transmisores que transmitan lecturas, preferentemente por vía aérea, hasta una estación central recolectora de datos.

La invención se describe con más detenimiento a continuación en referencia al ejemplo de ejecución que se muestra en las ilustraciones adjuntas.

En las ilustraciones se muestra:

Fig. 1 una representación esquemática de un analizador portátil acorde a la invención para la detección de MITC en el aire del suelo;

Fig. 2 una representación esquemática de la cámara de medición del analizador de la figura 1;

Fig. 3 una representación esquemática de dos elementos sensores sensibles a masas con una capa selectiva superficial tal y como aparece en la cámara de medición de la figura 2;

Fig. 4 un ejemplo de un principio sintético para unidades supramoleculares de capas selectivas superficiales;

Fig. 5 una estrategia sintética esquemática para los macrociclos de capas selectivas superficiales;

Fig. 6 un ejemplo de un macrociclo adecuado para la preparación de una capa superficial selectiva;

Fig. 7-12 ejemplos de dendrímeros adecuados para la preparación de capas superficiales selectivas.

La figura 1 muestra una forma de ejecución del dispositivo acorde a la invención para la detección de MITC en muestras de aire. El dispositivo acorde a la invención se diseña como una sonda de perforación 10 portátil. La sonda 10 cuenta con un asta 11 que, gracias a su punta 12, se puede insertar en el suelo B para analizar el aire del suelo. Para que en análisis siempre se realice a una determinada profundidad, se proporciona una placa en forma de corona 13, que al insertar el asta en el suelo hace las veces de tope, alrededor de la circunferencia externa del asta 11. En el interior del asta 11 se encuentra un conducto 14 que se abre en la circunferencia externa del asta en la punta 12. El orificio del conducto 14 está cubierto por una rejilla fina 15 que evita la entrada de tierra o cualquier otra partícula sólida que se viera absorbida al tomar la muestra del aire del suelo. El conducto 14 conduce hasta el medio de detección 16, que comprende una cámara de medición en la que se dispone una matriz de microbalanzas de cuarzo para la detección de MITC. Con referencia a la figura 2 se ilustra de una manera más detallada una forma de ejecución preferida para el medio de detección 16. Un conducto de salida 17, que conduce hacia el exterior del medio de medición 16, se abre en el medio de transporte 18, que se puede diseñar, por ejemplo, a modo de bomba de succión o de soplante, y que transporta el aire del suelo a través del conducto 14 hasta el medio de detección 16. Además, se pueden proporcionar uno o más cartuchos 19 con gases limpiadores y/o calibradores. En el ejemplo mostrado, el medio de suministro eléctrico, por ejemplo, las baterías 21, que le proporciona electricidad a la sonda, se dispone en el mango 20 de la sonda 10.

La sonda puede estar dotada de unidades adecuadas de indicación visual y/o acústica para indicar las lecturas. Además, pueden estar equipadas con unidades transmisoras o receptoras para la manipulación remota de datos y la transferencia remota de datos. El experto en la materia conoce tales unidades y por esa razón no se ilustran con más detalle en el presente contexto.

La figura 2 muestra una representación esquemática de una forma de ejecución preferida del medio de detección 16 con sensores sensibles a masas. Por norma, el medio de detección 16 también se puede utilizar cuando se utiliza un recipiente para muestras (no representado) para el suelo. El medio de detección 16 comprende una cámara de medición 22, que, en el ejemplo mostrado, está delimitada por la parte superior y por la parte inferior por las láminas de cristal de cuarzo 23, 24. Una pluralidad de puntos metálicos 25, que definen los sensores individuales de la matriz, se depositan por vapor sobre las láminas de cristal de cuarzo. Los sensores individuales se recubren de capas selectivas superficiales, por ejemplo mediante un rociamiento electrostático. Algunas de las capas presentan, preferentemente, una elevada selectividad para la detección de fumigantes. También se pueden cubrir uno o más sensores con un material que no detecten fumigantes, pero que sean especialmente sensibles a la humedad presente en el aire. Un material preferido sensible a la humedad es, por ejemplo, la polivinilpirrolidona (PPy). Un o más sensores se pueden dejar sin cubrir o pueden cubrirse con una capa inerte que no sea sensible ni a la humedad, ni a otros componentes del gas del suelo. Tales sensores resultan particularmente adecuados para la supervisión de cualquier flujo en la electrónica de evaluación, como puede ocurrir, por ejemplo, debido a variaciones en la temperatura. Una representación más detallada de tal sistema de sensores, en particular una descripción de procedimientos de medición ventajosos para la determinación de la concentración de gases, se encuentra en Boeker et al. Sensors and Actuators B 70 (2000), 37-42. A continuación se ilustra con más detalle la construcción de los elementos sensores individuales en conexión con la representación de la figura 3.

En el ejemplo mostrado en la figura 2, se coloca una unidad de concentración 26, corriente arriba, en la cámara de medición 22. Si, por ejemplo, sólo se va a utilizar para determinar la humedad del suelo, o para determinar si el MITC que se tenga que detectar está presente en concentraciones elevadas, la unidad de concentración se puede evitar a través de un desvío 27. Las rutas de flujos se controlan mediante las válvulas adecuadas 28, 29, que se controlan de manera automatizada mediante una unidad de control (no mostrada). Para realizar una medida de una concentración ascendente, en primer lugar se guía el aire del suelo a través del conducto 14 hasta la unidad de concentración 26 y a través del conducto 30 hasta la bomba 18 (no mostrada en la figura 2). El conducto de conexión 31 a la cámara de medición 22 está cerrado. La unidad de concentración 26 podría tener dispuesta en ella, por ejemplo, gel de sílice o TENAX como adsorbente o absorbente. Después de un período de concentración dado, el conducto 30 se cierra y el conducto 31, que conduce hasta la cámara de medición 22, se abre. El material absorbido es disorbido térmicamente mediante un calentador 32 y transferido desde la unidad de concentración 26 hasta la cámara de medición 22, con la ayuda de la bomba de transporte y/o un gas de limpieza localizado en el cartucho 19. En algunas formas de ejecución de la invención, se coloca una barrera contra la humedad 46, por ejemplo una película LLDPE, en el camino hacia la cámara de medición 22.

El principio de medición de una microbalanza de cuarzo, utilizada de manera acorde a la invención para la detección de fumigantes, le resulta conocido al trabajador experto de otros campos analíticos y, por lo tanto, solo se hará referencia a ellas de manera breve en referencia a la representación de la figura 3. Cada elemento individual de la matriz de sensores (dos de esos elementos se muestran en la figura 3) muestran una capa superficial selectiva 31, 32, que se diferencian en lo concerniente a su sensibilidad hacia los componentes individuales de las muestras de aire del suelo 33 (mostradas simbólicamente como círculos 34, triángulos 35 o rectángulos 36). Por ejemplo, la capa 31 es sensible expresamente a los componentes del aire que tienen los círculos 34 como símbolos, mientras que la capa 32 es sensible expresamente a los componentes de aire mostrados como triángulos 35. Un cambio de la masa en los elementos sensoriales individuales por la adsorción o la absorción de los componentes de la muestra de aire, se evalúa gracias a un cambio de la frecuencia resonante de un circuito de oscilador 37, 38, que se muestra esquemáticamente, mediante los contadores de frecuencia 39, 40. Sin embargo, en realidad, los elementos sensoriales individuales nunca son selectivos al cien por ciento. Así, por ejemplo, al realizar una medición real, el elemento sensor 31 también responderá, hasta cierto punto, a los componentes del aire 35 y 36. Las lecturas proporcionadas por los elementos sensoriales individuales 31, 32, están, por lo tanto, sujetas a una fase de evaluación de señal electrónica 41, situada corriente abajo y que determina las concentraciones de los componentes individuales en la muestra de aire del suelo 33 mediante los métodos quimiométricos que se conocen en sí.

Sorprendentemente, se ha averiguado que los sistemas supramoleculares resultan especialmente adecuados como capas selectivas 31, 32 para la detección de MITC en las muestras de aire. En concreto, lo que se conoce como macrociclos y dendrímeros resultan atractivos, debido a su monodispersividad, ya que permiten la construcción de sensores de gases reversibles, de respuesta rápida y regenerables. Además, debido a sus cavidades, que se pueden diseñar de muchas formas y adaptarse específicamente a las exigencias espaciales del analito a ser detectado, permiten una gran variedad y libertad de diseño. Si se aprovecha la interactividad huésped-anfitrión, a la que contribuyen también los puentes de hidrógeno formados individualmente, o si se aprovecha la interacción donador-aceptor, se pueden sintetizar sistemas de anfitrión individualmente adaptados. Los sistemas supramoleculares de anfitrión permiten, hasta un cierto grado, la adaptación ideal al anfitrión en cuestión, puesto que, por ejemplo, los dendrímeros presentan una alta tolerancia a varios tipos de grupos funcionales.

La figura 4 muestra, como ejemplo, el principio sintético de las unidades supramoleculares a escala nanométrica. Una molécula huésped 42 funciona como la plantilla para la circularización de dos unidades supramoleculares 43, 44 que dan lugar a la molécula anfitrión 45. La síntesis específica de anfitriones atractivos 45 se hace posible de esta manera, cuya conveniencia como sistemas de capa selectivas de sustratos para los fumigantes de interés en este contexto, se puede analizar y optimizar con la ayuda del dispositivo acorde a la invención.

La figura 5 muestra un ejemplo de una estrategia sintética para macrociclos, que también resultan adecuados como capa superficial selectiva. La estrategia sintética sumamente flexible para la preparación de los macrociclos, ha demostrado ser particularmente ventajosa. No sólo se pueden modificar, independientemente las unas de las otras, las mitades laterales A, C de lo que debe transformarse en el macrociclo, sino también los espaciadores B. Esto hace posible predeterminar, de manera intencionada, el tipo y la fuerza de la interacción huésped-anfitrión. Esto quiere decir que dichas moléculas anfitrión se pueden adaptar sin complicaciones para su posterior tarea como capas sensoriales activas.

Se pueden determinar tanto los parámetros termodinámicos como cinéticos de los procesos de intercalación para la adsorción y desorción de moléculas huéspedes específicas. La información obtenida se puede utilizar para la optimización o la diferenciación exacta de las especies relacionadas de moléculas huéspedes, para que la selectividad y la sensibilidad de las capas sensoriales activas del dispositivo acorde a la invención para la detección y la diferenciación de especies relacionadas de compuestos de carbonilo, se puedan mejoradas considerablemente. En lo que respecta a la química de los macrociclos y los compuestos encadenados, se puede hacer referencia, en particular, al trabajo pionero de Vögtle et al. Angew. Chem. 104 (1992), 1628-1631; Angew. Chem. Int. Editor. Engl. 31 (1992), 1619-1622. También se pueden encontrar estrategias sintéticas en, por ejemplo, Ottens-Hildebrandt et al. J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1995), 777-779.

Como capa sensorial activa ha resultado ser especialmente adecuada una estructura anfitrión preorganizada y susceptible a ser enlazada con hidrógeno debido a los grupos amida. Como ejemplo de una molécula circular que cumple con esos requerimientos, se muestra en la figura 6 un macrociclo lactama. El anillo cuenta con cuatro centros potenciales de coordinación en forma de grupos amida, tioamida o sulfonamida.

Finalmente, en las figuras de la 7 a la 12 se muestran dendrímeros preferidos para la preparación de las capas superficiales selectivas que resultan especialmente adecuados para detectar MITC.

Ejemplo

Se preparó un dispositivo para la detección de isotiocianato de metilo (MITC) en muestras de aire, con seis microbalanzas de cuarzo individuales (obtenidas con los circuitos electrónicos comercializados por HKR Sensorsysteme GmbH, Munich, Alemania) con una capa superficial de un macrociclo del tipo lactama amida al que se denominó J1. La frecuencia de operación u oscilación se encontraba en el rango de, aproximadamente, 10 MHz.

Preparación del J1

Se preparó J1, es decir, un macrociclo lactama amida de la forma 31'-terc.-butil-5',19',25',37',40',42',45',47'-
octametil-8',16',28',34'-tetraoxodispir[cyclohexano-1,2'-[7',17',27',35',]tetraaza[10']oxiheptaciclo[34.2.2.23',6'.
218',21'.223'26'.111',15 '.129',33']-heptatetracontal[3',5',11',13',15'(41'),18',20',23',25',29',31',33'(46'),36',38', 39',42',44']octa-decaen-20',1''-ciclohexano], del siguiente modo.

En una solución de 10,00 g (32,30 mmoles) de 1,1-bis(4'-ammo-3',5'-dimetilfenil)ciclohexano y 2,2 ml de trietilamina en 50 ml de diclorometano (absoluto), se añadió gota a gota y a temperatura ambiente una solución de dicloruro de 3-fenoxiacetilo en 100 ml diclorometano (absoluto), durante un período de 5 horas bajo continuo, si dejar de remover, en un aparato, bien calentado y secado, purgado con argón. La mezcla resultante se agitó durante una noche. Por último, se retiró el disolvente por vacío utilizando un evaporador rotatorio.

El residuo se purificó mediante una cromatografía en columna utilizando sílice. A continuación se obtuvieron 1,4 g (37%) de una sustancia sólida incolora (Mp=149-151ºC.). 1,20 g (1,50 mmoles) de dicha sustancia se disolvieron con 0,4 ml de trietilamina en 250 ml de diclorometano. De la misma manera, se disolvieron 0,39 g (1,50 mmoles) de cloruro de 5-terc.-butilo de ácido isoftálico en 250 ml de diclorometano. Ambas soluciones se agregaron sincrónicamente durante un período de 8 horas en 1 litro del mismo disolvente (diclorometano) a temperatura ambiente. Después de ese tiempo la mezcla resultante se agitó 2 días más, después de lo cual, se retiró el disolvente por vacío. Se obtuvieron 0,47 g (32%) de una sustancia sólida incolora tras la purificación cromatográfica sobre sílice (Mp>260ºC). Dicha sustancia sólida incolora se identificó como J1, con la composición y la estructura especificada anteriormente, a través de Maldi-MS con m/z=991,2 [M^{+}], 1014,2 [M^{+}+Na], 1030,2 [M^{+}+K].

Preparación de capa superficial

Las capas de superficie de J1 se aplican mediante el electro-rociado de una solución de J1 a través del tubo capilar de una jeringa de dimensiones apropiadas sobre el electrodo superior de cada microbalanza de cuarzo (QMB), de uno en uno, mientras se aplica un voltaje de corriente continua de aproximadamente 5 kV entre el tubo capilar y el electrodo superior del QMB. El proceso de recubrimiento se supervisó in situ. El grosor resultante de la capa se estandarizó finalizando el electro-rociado cuando la frecuencia oscilante se redujo en 5 kHz.

Resultados

Las concentraciones definidas de MITC se obtuvieron haciendo hervir una corriente estable y definida de nitrógeno puro por una fusión de MITC. Luego se enfrió la corriente utilizando un dispositivo de refrigeración eficiente que se mantuvo a una temperatura constante de -12ºC. Posteriormente, esta concentración definida de MITC en nitrógeno se diluyó aún más mezclándola con una corriente definida de nitrógeno puro para proporcionar una corriente de una concentración variable de MITC en nitrógeno.

Las corrientes con concentraciones de MITC en nitrógeno de 10, 25, 50, 100, ó 200 ppm se suministraron a una tasa de circulación de 22 ml por minuto por succión hasta una cámara de medición que tenía en su interior la matriz de QMB. Los QMB y la cámara de medición se mantuvieron a 35ºC. Se observó una reducción de las frecuencias oscilantes del los QMB individuales proporcional a la concentración de MITC, a saber, una reducción de 2,5, 7,0, 14,0, 24,0, y 37,5 Hz.

En consecuencia, con el dispositivo acorde a la invención se pueden detectar, de manera precisa y constante, las concentraciones de MITC en rangos de pocas ppm.

Claims (10)

1. Un procedimiento para la detección de isotiocianato de metilo en muestras de aire de suelo, donde

se toma una muestra de aire de suelo,

la muestra de aire de suelo tomada se pone en contacto con, al menos, un sensor sensible a masas que contenga, al menos, una microbalanza de cuarzo, dicha microbalanza de cuarzo está recubierta por una capa superficial que es selectiva del isotiocianato de metilo y contiene microciclos y/o dendrímeros,

los cambios de masa del sensor se detectan en forma de señales eléctricas y las señales eléctricas se analizan.

2. Un procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan varios sensores cubiertos por diferentes capas selectivas.

3. Un procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el isotiocianato de metilo a ser detectado se concentra antes de entrar en contacto con el sensor sensible a masas.

4. Un procedimiento, según una de las reivindicaciones de la 1 a la 3, caracterizado porque además se determina el contenido de humedad de la muestra de aire de suelo.

5. Un procedimiento, según una de las reivindicaciones de la 1 a la 4, caracterizado porque la humedad presente en la muestra de aire de suelo se elimina antes de ponerla en contacto con el sensor.

6. Un procedimiento para el control de los agentes fitopatógenos, caracterizado porque se trata el suelo con una cantidad eficaz de isotiocianato de metilo que libera fumigantes para el suelo y que, consecuentemente, se detectan, antes de volver a plantar o sembrar plantas útiles y plantas de cultivo, las cantidades residuales de isotiocianato de metilo liberado con el procedimiento según las reivindicaciones de la 1 a la 5.

7. Un dispositivo para la detección de isotiocianato de metilo en muestras de aire de tierra, en especial para llevar a cabo el procedimiento según las reivindicaciones de la 1 a la 5, con

medio de muestras (11, 18) para las muestras de aire de suelo,

un medio de detección (16) que, al entrar en contacto con la muestra de aire de suelo, genera señales eléctricas que dependen de la concentración de isotiocianato de metilo a detectar en la muestra de aire de suelo,

un medio de evaluación (41) que calcula la concentración de isotiocianato de metilo presente en la muestra de aire de suelo en función de las señales eléctricas proporcionadas por los medios de detección,

donde dichos medios de detección (16) contienen, al menos, un sensor sensible a masas (33) que contenga, al menos, una microbalanza de cuarzo, dicha microbalanza de cuarzo está recubierta por una capa superficial (31, 32) que es selectiva del isotiocianato de metilo y contiene microciclos y/o dendrímeros,

8. Un dispositivo, según la reivindicación 7, caracterizado porque el medio de muestras contiene una unidad de concentración (26) para el isotiocianato de metilo a ser detectado.

9. Un dispositivo, según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el medio de muestras contiene un medio (46) para la eliminación de la humedad de dichas muestras de aire de tierra.

10. Un analizador portátil que comprende un dispositivo según una de las reivindicaciones de la 7 a la 9 y una unidad para mostrar y/o transmitir la concentración de isotiocianato de metilo calculada por el medio de evaluación (41).