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AUTOMATIZACIÓN EN QUÍMICA ANALÍTICA

1. Introducción.

2. Definiciones y conceptos

3. Objetivos de la automatización en Química Analítica

4. Automatización de las distintas etapas del proceso

analítico

5. Analizadores automáticos. Clasificación

6. Analizadores continuos. Análisis por inyección en flujo.

7. Sensores químicos

Bibliografía

M. Valcárcel, M. D. Luque de Castro. “Automatic Methods of Analysis”. Elsevier. Amsterdam. 1988.

M. Valcárcel, M. S. Cárdenas. “ Automatización y Miniaturización en Química Analítica”. Springer-Verlag Ibérica. Barcelona. 2000.

P.B. Stockwell. “Automatic Chemical Analysis”. Taylor & Francis. Londres 1996.

M. Valcárcel, M. D. Luque de Castro. “Análisis por inyección en Flujo”. Monte de Piedad y Caja de Ahorros de Córdoba. 1984

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INTRODUCCIÓN

La AUTOMATIZACIÓN, sustitución parcial o total de la participación humanaen el proceso de medida química, es una TENDENCIA, hoy consolidada, enQuímica Analítica.

TENDENCIAS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA

AUTOMATIZACIÓN

SIMPLIFICACIÓNMINIATURIZACIÓN

Ejemplo: recorte de prensa EL PAÍS, miércoles 17 de noviembre de 2004“ES EXTRAÑO EXPLORAR UN MUNDO QUE VES SÓLO COMO UN PUNTITOEN EL CIELO”

Ser capaz de evaluar críticamente las ventajas e inconvenientes derivadosde la sustitución de la participación humana en los procesos analíticos.

Conocer la terminología utilizada en el ámbito general de la automatización

Conocer las posibilidades de automatización de las diferentes etapas del proceso de medida química.

Conocer las distintas configuraciones de los analizadores, comerciales o no, diseñadas para tratar de llevar a cabo el proceso analítico de forma totalmente automática: analizadores discontinuos, analizadores continuos y sensores.

OBJETIVOS

3

MecanizaciónProducción de movimiento en lugar del operador humano“Empleo de mecanismos para reemplazar, mejorar o extender el esfuerzo humano”

OPERADOR HUMANO

SISTEMAS AUTOMÁTICOS

MECANIZACIÓN INSTRUMENTACIÓN

ESFUERZO

AUTOMATIZACIÓN

INTELIGENCIA

Toma dedecisiones

Sistema de retroalimentación“feed back”

SENTIDOS

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (1)

ESFUERZO

DISPOSITIVO

APARATO

INSTRUMENTO

ANALIZADOR

PROCESO

TÉCNICA

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (3)

4

Automatización“Empleo combinado de dispositivos, aparatos e instrumentos para sustituir mejorar o ampliar el esfuerzo, los sentidos y la inteligencia humanos en el desarrollo de un proceso”

DEFINICIONES Y CONCEPTOS

OPERADOR HUMANO

SISTEMAS AUTOMÁTICOS

MECANIZACIÓN INSTRUMENTACIÓN

ESFUERZO

AUTOMATIZACIÓN

INTELIGENCIA

Toma dedecisiones

Sistema de retroalimentación“feed back”

SENTIDOS INTELIGENCIA

InstrumentaciónProducción y suministro de información empleo del instrumento:“Sistema utilizado para observar, medir o comunicar una propiedad que reemplaza o mejora la intervención humana”

MAYOR NIVELDE

CONCRECIÓN

PROCESO DE MEDIDA QUÍMICAOPERACIONES

PREVIAS

MEDIDA YTRANSDUCCIÓN

DE LA SEÑAL

TOMA YTRATAMIENTO

DE DATOS

PROCEDIMIENTO

MÉTODO

TÉCNICA

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (4)

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OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN EN QUÍMICA ANALÍTICA

OBJETIVOSVENTAJAS INCONVENIENTES

INFORMACIÓNProducción de más y mejor informaciónRentabilizar al máximo los datos analíticos generados

CALIDADMejorar las propiedades analíticas:precisión, exactitud, sensibilidad, selectividad.

PRODUCTIVIDADAumentar la frecuencia de muestreoReducir el consumo de muestra y reactivo.

CAMPO de APLICACIÓNHacer factible una técnica o método

FACTOR HUMANOReducción de errores y costes debido al factor humanoMayor seguridadEstímulo personal

Menor control de Químico sobre el proceso

Sobrevaloración de las posibilidades de automatización

Restricciones legales

Pérdida de flexibilidad de herramientas y procesos

AUTOMATIZACIÓN DE LAS DISTINTAS ETAPAS DEL PROCESO ANALÍTICO

El PROCESO DE MEDIDA QUÍMICA (PMQ)

MUESTREOTRATAMIENTO

de MUESTRA

REACCIÓN ANALÍTICA

MEDIDA y TRANSDUCCIÓN

de laSEÑAL ANALÍTICA

ADQUISICIÓNy TRATAMIENTO

de DATOS

Operaciones previas

OPERACIONES PREVIAS

ALTERNATIVAS

MÓDULOS DE TRATAMIENTOMUESTRA

ANALIZADORES DE PROCESOS

NUEVOS TIPOS DE ENERGÍA(ultrasonidos, microondas, láser)

ROBOTSSENSORES

TÉCNICAS CONTINUASDE SEPARACIÓN

INTRODUCCIÓN DIRECTA DE MUESTRAS

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MUESTREADORES AUTOMÁTICOS

Reactivo

Jeringa de reactivo

Jeringa de muestra

Desecho

MUESTRA

DISOLUCIÓN de LAVADO

Disolución de lavado

Jeringa

BRAZOMECÁNICO

12

3

Desecho

4

1. Aspiración de un volumen de muestra.

2. Introducción de la muestra en la copa del analizador.

3. Aspiración de la disolución de lavado.

4. Descarga al desecho.

AUTOMATIZACIÓN de las DOS ÚLTIMAS ETAPAS

Registrador

Salida A/D

OrdenadorLecturaRegistroEnvío a unidad central

Micropocesador

Toma y tratamientode datos

OrdenadorLecturaRegistroEnvío a unidad central

Toma y tratamientode datos

Control de parámetrosinstrumentales

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AUTOMATIZACIÓN de las DOS ÚLTIMAS ETAPAS

FUENTE MONOCROMADOR S DETECTOR AMPLIFICADORS

INTERFASEACTIVA

A/D A/D A/D A/D

ORDENADOR

D/A

INTERFASEPASIVA

IMPRESORA

TRATAMIENTO DE DATOS

SISTEMAS DE GESTIÓN DE LA INFORMACIÓN EN EL LABORATORIO:LIMS (Laboratory Information Management Systems)

Sistema informático integrado que combina la adquisición de datos, su análisis,la generación de informes y funciones de gestión del laboratorio

INTERNET

Base dedatos

“Cliente”

Base dedatos

Organización

RED

Base de datos

científicotécnicos

Instrumento 2

Analizador 2Instrumento 1

Analizador 1

Ordenadoradquisición datos

teléfono

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ANALIZADORES AUTOMÁTICOS: CLASIFICACIÓN

GRADO DE AUTOMATIZACIÓN

AUTOMÁTICOSSEMIAUTOMÁTICOS

TRANSPORTE DE MUESTRA/REACTIVOS

DISCONTINUOSCONTINUOSROBOTIZADOS

MUESTRALíquidosSólidosGases

DE

ComercialesNo ComercialesDISEÑO

Según

Según

Según

Según

TIPOSDE

ANALIZADORES

ANALIZADORES AUTOMÁTICOS

Manualmente

Analizador discontinuo (tipo cinta)

Analizador continuo

Muestra Reactivo Mezcla Tiempo Detector

Analizador robotizadoRobot

Muestras

reactivos

balanza

Detector/ordenador

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Pipetas paramuestra y reactivos

Cubetas dereacción Brazo de

transporte

Muestras(en rotor o en cinta)

Reactivos en rotorcentral(No requierenmanipulación.Esta automatizadoincluso el cierre y apertura)

ANALIZADOR DISCONTÍNUO SECUENCIAL

Bandeja de reactivos

Cubeta

ANALIZADOR DISCONTINUO

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ANALIZADORES ROBOTIZADOS

www.strobotics.com

www.mwg-biotech.com

Loop o bucle de inyección

CARGA

Válvula de inyección de dos posiciones (6 vías)

INYECCIÓN

Bomba Peristáltica

COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA

Tubos (teflón o PVC; φ = 0.5-0.8 mm)Conectores

Coil de reacción

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W

RW

A, R

Bioanalytical Systems, Inc. www.bioanalytical.com

COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA (2)CELDAS DE FLUJO

espectrofotometría

fluorimetría

Voltametría/amperometríacelda de capa fina

tiempo

Resp

uest

a

ta

M

H

∆t

T tr

Portador

Bomba

Muestra

VálvulaDetector

(con celda de flujo)

Registrador / ordenador

ANALIZADORES DE INYECCIÓN EN FLUJO (FIA; Flow Injection Analysis)

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Flujo laminar

Difusión axial Difusión radial

PRINCIPIOS DEL FIAEl FIA se basa en una combinación de tres principios:

1. Inyección de la muestra

2. Dispersión controlada de la zona de muestra inyectada

3. Control reproducible del tiempo transcurrido desde la inyección hasta la detección

Fenómenos de transporte que contribuyen a la dispersión:

1. Convección, para adaptarsea las condiciones de flujo laminar

2. Difusión

COEFICIENTE DE DISPERSIÓN, D

Coeficiente de dispersión:D = C° / Cmax

La señal obtenida en un sistema FIA es el resultado de dos procesos que se producen simultáneamente:1. Proceso físico: Dispersión2. Proceso químico: reacción analíticaNinguno de los dos procesos alcanza el equilibrio

FIA:MÉTODO CINÉTICODE TIEMPO FIJO

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CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS FIA SEGÚN D

Dispersión limitada D = 1-2 (FIA como transporte)Dispersión media D =2-10 (FIA con conversión)Dispersión alta D > 10 (se necesita dilución)Dispersión reducida D < 1 (con preconcentración)

Sistemas con

Parámetros instrumentales que afectan a D

1. Volumen de muestra inyectada, S(µL). Al aumentar S disminuye D

2. Dimensiones de los tubos entrela válvula de inyección y la celda de flujo:Diámetro interno (φ=0.5 mm) y longitud,L (cm)Al aumentar L aumenta D

S= 60 µLQ=1.5 mL/min

3. Caudal, Q (mL/min). Al aumentar Q disminuye D

Debe tenerse en cuenta el efecto de D sobre:1. La sensibilidad2. La velocidad de muestreo f(anchura de pico)

FIA con DISPERSIÓN LIMITADA (D = 1-2)

portador

bomba M

D residuos

0.5

1

0

Zn 213,9 nm

5 min.

ab

S S

10 s

D

2

1,3

1

Modo normal de aspiraciónSistema FIA

Para mantener dispersión limitada debe limitarse la distancia entre inyector y detector

Se utiliza dispersión limitada:

1. Medidas con electrodos selectivos(pH). Medidas de conductividad

2. Inyección automática de muestraen instrumentos de absorción atómica,ICP.

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FIA CON DISPERSIÓN MEDIA (D = 2-10)

Se utilizan cuando el analito debe reaccionar con diferentes reactivosPara formar un producto detectable(FIA con conversión)

Se obtienen los típicos FiagramasCon concentraciones en el máximo que corresponderían al 50% - 10%de las introducidas originalmente enEl sistema

Para obtener dispersión media se debe insertar un “coil” de reacción. En ocasiones se desarrollan sistemas multicanal, con varios puntos de confluenciade distintas corrientes de reactivos entre el inyector y el detector

FIA CON DISPERSIÓN MEDIA - FIA MONOCANAL

Determinación espectrofotométrica de Cl-

Volumen inyectado: 30 µLVelocidad de muestreo: 120 muestras/hora

Hg(SCN)2 + 2 Cl- HgCl2 + 2 SCN-

SCN- + Fe3+ Fe(SCN)2+Hg(SCN)2

Fe3+ desecho

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FIA con CONVERSIÓN (FIA multicanal)

D residuos

Portador acuoso

ml/min M (50µl)

5-Br-PADAPDicromato

mezcla

30 cm

0,81

0,800,23

B

reacción

60 cm570 nm

SCN- + 5-Br-PADAP + Oxidante Producto coloreado(metaestable)

2 MH+

Resp

uest

a de

l det

ecto

tiempo

Señal del analito

Señal de fondo(background)

fumadores

10 min0,25 A

10 m

Abs

Patronesµmol/l

No-fumadores

Fumadores

Barrido

Ejemplo en el que se aprovechan efectos de discriminación cinética

SISTEMAS FIA - GENERACIÓN DE HIDRUROS

Generación de hidruros: As3+, Sb3+, Sn4+ AsH3 , SbH3 , SnH4BH4

-

NaBH4

CarrierHX

Muestra

Separador gas/líquido

Gas de purga Líquido(desecho)

Gas(al atomizador)

Atomización: AsH3 , SbH3 , SnH4 As, Sb, Sn

Reacciones laterales/interferencias:

Descomposición del reactivo(NaBH4) en medio ácido

Me2+ (Ni, Cu, Co) Me0 (lento)

AsH3, SbH3, SnH4 As, Sb, Sn + nH2

HXMe0

BH4-

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FIA CON DISPERSIÓN ALTA

Da lugar a una gran dilución de la muestra inyectada

Para obtener D alto: inyectar un pequeño volumen de muestra y utilizar Tubos de mezcla entre inyector y detector largos.

Se utiliza para procesar muestras muy concentradas, diluyéndolas en el sistemahasta que la concentración del analito quede dentro del intervalo de respuestalineal del detector.

SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA ON-LINE

F

Diálisis

Corrientedonora

Corrienteaceptora

Intercambio iónico

Muestra Eluyente

F

Columna con cambiador

iónico

FIA CON DISPERSIÓN REDUCIDA

SISTEMAS CON PRECONCENTRACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA ON-LINE

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La muestra (S) se inyecta en unacorriente de portador acuoso (Aq) quese une en (a) con una corriente de faseorgánica (Org). La mezcla de ambas se produce en (b, segmentador). En un separador (c) se descarta la faseacuosa y la fase orgánica se conduce a una celda de flujo (F).

SISTEMA FIA CON EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO EN CONTINUO

desecho

desecho

FAq

Org

Sa

b c

La elección de los materiales de los distintos componentes y su orientaciónson críticos. Debe tenerse en cuenta que la fase acuosa se adhiere al vidrioy la orgánica se adhiere al teflón.

En el segmentador la fase orgánica entra por un tubo de vidrio y se adhierea un tubo de teflón (1)

SEGMENTADOR

aq

org

org

orgaq

Membrana de teflón

SEPARADOR DE MEMBRANASi la fase orgánica es menos densa que la acuosa

SEPARADOR con forma de Tfase orgánica mas densa

que la acuosa

SISTEMA FIA CON EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO EN CONTINUO

Una fina tira de teflón (2)sirve de guía para la fase Org a través de la T de vidrio

2

La membrana de teflón permite que sólo la fase Orgpenetre a través de sus poros hidrofóbicos. La fase Aq se descarta.

orgdesecho

desecho

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SISTEMAS DE FLUJO DETENIDO (“STOPPED-FLOW”)

DETECTOR

R

T

Los sistemas de flujo detenido se basan enparar una porción del bolo de muestra en lacelda de flujo. Si la reacción de transformacióndel analito no alcanza el equilibrio de caminoal detector, se puede obtener una porciónde la curva cinética a medida que el producto dereacción (amarillo) se va acumulando en la celdade flujo. Finalmente, se restaura el flujo y lamuestra se impulsa hacia el deshecho, recuperándose la línea de base.

Cuando se inyecta la muestra, se pone en marchaun reloj electrónico (T). En estos sistemas se seleccionan tanto el tiempo que transcurre desdela inyección de la muestra hasta que se detiene el flujo (tiempo de retardo), como el tiempo deparada.

BLANK

ANALYTE

FLOW

DELAY TIMETiempo de retardo

El analito (rojo) se dispersa en la corrientede reactivo (azul) en el camino al detectormientras que el producto (amarillo) seva formando. Por tanto es esencial que el tiempo de retardo sea reproducibleen los diferentes ensayos. Se mide la pendiente del fiagrama durante el tiempo de parada.

SISTEMAS DE FLUJO DETENIDO (“STOPPED-FLOW”) (2)

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ELEMENTO DE RECONOCIMIENTO TRANSDUCTOR ELECTRÓNICA

Esquema general de un sensor químico

Un sensor es un dispositivo que responde de forma directa, continua, rápida, selectiva y reversible a los cambios de concentración de una especie química en una muestra compleja, idealmente sin tratamiento previo de la misma.Consta de un elemento de reconocimiento molecular (que produce una interacción selectiva (específica) con el analito), en contacto físico con un transductor.

SENSORES QUÍMICOS

Elementos de reconocimiento molecular empleados en el desarrollo de sensores

Reactivos inmunológicos

NucleótidosADN/ARN Enzimas Células

Tejidos

Polímeros Molecularmente

impresos

Ligandosneutros

Cambiadoreslíquidos

Bioafinidad Biocatalíticos

Bióticos Abióticos

Componentes de reconocimiento molecular

Membranassólidas

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Proceso de reconocimiento selectivo

analito

Transducción Energía

Electroquímicos Ópticos Térmicos

Secuencia de procesos en la operación de un sensor químico.Se resumen los distintos tipos de transductor que pueden ser utilizados

Amperométrico Potenciométrico Conductimétrico

Respuesta-Procesamiento de datos

Piezoeléctricos(de masa)

SENSORES POTENCIOMÉTRICOS DE GASESSon celdas electroquímicas compuestas por:1. Un electrodo de membrana sensible a un ión y un electrodo de referencia, en

contacto con un electrolito interno.2. Una membrana polimérica permeable a gases, que separa el electrolito interno

de la disolución de prueba.

123,4 mVElectrolitointerno

Disolución deprueba

Electrodo dereferencia

Electrodoselectivo

Membrana permeablea gases

Electrodo de Ag2SH2S + 2H2O S2- + 2H3O+H2S

Electrodo vidrio (pH) o electrodo de NO3

-2NO2 + 3H2O NO2

- + NO3- + 2H3O+NO2

Electrodo vidrio (pH)SO2 + 2 H2O HSO3- + H3O+SO2

Electrodo vidrio (pH)CO2 + 2 H2O HCO3- + H3O+CO2

Electrodo selectivoReacción en electrolito internoAnalito

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SENSORES POTENCIOMÉTRICOS DE GASES. Sensor de CO2

CO2(aq) + H2O HCO3-(aq) + H+(aq)

CO2(g)

Aire atrapado

Membrana poliméricaMicroporosa (PTFE)

Electrolito interno(NaHCO3/NaCl)

Membrana de vidriosensible a H+

Disolución de pruebaCO2(aq)

Función de respuesta del sensor de CO2

CO2(aq) CO2(g) CO2(aq) Dlon. de prueba

Porosmembrana

Electrolitointerno

CO2(aq) + H2O HCO3-(aq) + H+(aq)

CO2(aq) + H2O HCO3-(aq) + H+(aq)

Equilibrio global:

Dlon. de prueba, x

Electrolitointerno, i

Respuesta del sensor de CO2

E = C + 0.05916 log (aH+)i E = C + 0.05916 log [CO2]xKeq

[HCO3-]i

E = L + 0.05916 log [CO2]x

(aH+)i [HCO3-]i

[CO2]xKeq = [HCO3

-] i ≈ cte.; ⇒ [CO2]x(aH+)i =Keq

[HCO3-] i

BIOSENSORES POTENCIOMÉTRICOS. Sensor de Urea

Transductor(Electrodo selectivo)

Capa de enzima inmovilizada

(NH2)2CO 2 NH3 + CO2

Ureasa

Métodos de inmovilizacióndel enzima

Estabilidad del sensor

Interferencias Tiempo de Rango de respuesta linealidad

pH Control pH(tampón dil.) 1 min 5×10-5-10-3 M

NH4+ K+ (Na+) 35 s 5×10-5-10-1 M

Encapsulación en membranas de diálisis

Inclusión en gel de poliacrilamidaInclusión + enlace covalenteEn ácido poliacrílico

Entrecruzamiento con albúmina(glutaraldehido)

10 d.

21 d.

>30 d.

>60 d.

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SENSORES AMPEROMÉTRICOS.

Sensor de oxígeno de Clark

-600 3.25

Eap./ mV i./ µA

Electrolito interno (KCl)

Ánodo de Ag/AgCl

Cátodo de Pt

Membrana dePolímero (PTFE)

Proceso catódico:O2 + 2 H+ + 2 e- H2O2

Proceso anódico:2 Ag(s) + 2 Cl-(aq) 2AgCl(s) + 2 e-

Características de respuesta

Corriente de difusión estacionaria:

i = nFA Co*εδ

Dq

δ= espesor de la membranaε= porosidad de la memb.q = factor de tortuosidad

Tiempo de respuesta:

test. = 2 δ2

(D/q)test ≈ 20 – 50 s

SENSORES AMPEROMÉTRICOS ENZIMÁTICOS1. Basados en el empleo de enzimas oxidasas

Enzima inmovilizada

transductor

Señal (i/ µA)Eapl = cte

SH2 + E(FAD) E(FADH2) + S

E(FADH2) + O2 E(FAD) + H2O2

1. Medida del peróxido de hidrógeno generado

H2O2 O2 + 2 H+ + 2 e- Reacción electródica

2. Empleo de un mediador de transferencia electrónica (Med)(el O2 se sustituye por un aceptor de electrones no fisiológico)

SH2 + O2 S + H2O2

E

E ox

Ered

SH2

S

SH2

S

Sensor Disolución

Medox

Medrede- E(FAD)

E(FADH2)

Enzima y mediador inmovilizados

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SENSORES AMPEROMÉTRICOS ENZIMÁTICOS2. Basados en el empleo de enzimas deshidrogenasas

NADHNADH electrodoelectrodoNADNAD++ + 2e+ 2e-- + H+ H++

++ NADNAD++SHSH22 S + S + NADHNADH + H+ H++EE

Cinética lenta

Mecanismo complejo

SelectividadSelectividad

EstabilidadEstabilidad

ReproducibilidadReproducibilidad

DIFICULTADES

EMPLEO DE MEDIADORES DE TRANSFERENCIA ELECTRÓNICA

NAD+

NADH

E

SH2

S

SH2

S

Electrodo Disolución

Medox

Medred