“SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOESTRUTURAS PEPTÍDICAS
FUNCIONALIZADAS COM
POLIANILINA”
HELIANE ROSA DO AMARAL
DISSERTAÇÃO APRESENTADA COMO
PARTE
DOS
REQUISITOS
OBTENÇÃO DO GRAU DE
NANOCIÊNCIAS
E
PARA
A
MESTRE EM
MATERIAIS
AVANÇADOS.
ORIENTADOR:
PROF. DR. WENDEL ANDRADE ALVES
SANTO ANDRÉ
2011
|i
Dedico este trabalho,
À minha família, melhor presente da minha vida!
Ao meu pai, João;
À minha mãe Enelzita;
Aos meus irmãos Catarina, Amaral e Bá;
Aos meus sobrinhos Gabriel, Pedro, Alice e Miguel.
Pelo imenso amor, alegria e apoio incondicional em todas as etapas da minha vida.
| ii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus;
Ao Prof. Dr. Wendel Andrade Alves por todos os anos de amizade, pelo apoio irrestrito, pela
orientação e por ter participado efetivamente de minha formação;
Ao Prof. Dr. Lauro Kubota do Instituto de Química da UNICAMP, pelo auxílio no estudo da
técnica de SPR.
Ao meu namorado Rafael, por toda paciência, carinho, correções, críticas e sugestões que
muito contribuíram para a finalização deste trabalho.
Ao meu queridíssimo e inestimável amigo de todas as horas e de todos os momentos “Kogi”
(Sergio Kogiskoski Júnior), pela dedicação, entusiasmo e desempenho na finalização deste
trabalho;
Ao meu grande amigo de graduação e depois de pós-graduação Fernando Cabral Salles de
Oliveira, por ter participado efetivamente da minha vida nos últimos 6 anos, vou sentir
saudade dos lanches de peito de peru com queijo frio, do danone de 1L que guardávamos de
um dia pro outro sem refrigeração (rs). Obrigada Fer!
Aos eternos amigos do grupo (em ordem alfabética): Camila, Clóvis, Iorquirene, Luis, Márcia,
Michelle, Roberta, Rondes, Thiago, Wellington;
A todos os amigos do LEMN;
Ao CNPq, pela bolsa de mestrado;
À UFABC e ao INCTBio, pela excelente infra-estrutura.
| iii
A vantagem de ter péssima memória é divertir-se muitas vezes com as mesmas coisas boas
como se fosse a primeira vez.
F. Nietzsche
| iv
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOESTRUTURAS PEPTÍDICAS FUNCIONALIZADAS COM
POLIANILINA
Heliane Rosa do Amaral
RESUMO
Este trabalho utilizou duas metodologias para sintetizar nanoestruturas do peptídeo Ldifenilalanina (FF): em fase sólida-vapor e em fase líquida. As nanoestruturas obtidas em fase
líquida foram utilizadas para estudar e quantificar (em nanogramas) o tipo de interação entre
a polianilina (PANI) e os nanotubos do peptídeo L-difenilalanina (NT-FF) utilizando a técnica de
SPR. Por meio deste estudo foi possível calcular os parâmetros termodinâmicos (constantes de
associação e dissociação; constante de equilíbrio e variação da energia livre de Gibbs) para o
sistema PANI/NT-FF. Os resultados experimentais, utilizando microscopia eletrônica de
varredura (MEV) mostraram que é possível controlar os processos de crescimento e
orientação das nanoestruturas sobre os substratos de silício e ouro utilizando a metodologia
em fase sólida-vapor, variando parâmetros como: concentração da solução precursora do
filme amorfo do FF, solventes e tempo de exposição ao solvente. Além disso, foi possível
realizar a polimerização química e eletroquímica da anilina sobre a superfície das
nanoestruturas do peptídeo L-difenilalanina. As caracterizações utilizando MEV, e técnicas
espectroscópicas na região do ultravioleta-visível, infravermelho, Raman e Voltametria Cíclica
indicam que o nanomaterial peptídico sintetizado e funcionalizado com PANI possui
propriedades condutoras.
Palavras-Chave: Polianilina, funcionalização, nanoestruturas peptídicas.
|v
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF PEPTIDE NANOSTRUCTURES FUNCTIONALIZED WITH
POLYANILINE
Heliane Rosa do Amaral
ABSTRACT
This work used two methods for obtaining peptide nanostructures based on L-diphenylalanine:
self-assembly in solid-vapor phase and self-assembly in liquid phase. The nanostructures
obtained in the liquid phase procedure were used to study and quantify (in Weight) the
interaction between polyaniline (PANI) and the peptide nanotubes (PNTs), using the Surface
Plasmon Resonance (SPR) technique. Through this study it was possible to calculate the
thermodynamic parameters (association and disassociation constants, equilibrium constant
and the Gibbs energy variation) for the PANI/PNT system. Furthermore, using the solid-vapor
phase self-assembly, Scanning Electron Microscopy (SEM) images have shown that it is
possible to control the growth process and the orientation of nanostructures on the silicon
and gold substrates, changing parameters such as: concentration of precursor solution of the
amorphous film, solvents used in the vapor phase and time of exposure to solvent vapor.
Moreover, it was possible to perform the polymerization of aniline using chemical synthesis
and electrochemical synthesis on the peptide nanostructures. At the end of this work, the
characterization using SEM, electronic spectroscopy in the UV-Vis, Fourier Transform infrared
spectroscopy (FTIR) and cyclic voltammetry showed that the peptide nanostructure that was
synthesized and functionalized with PANI presents electric conductor characteristics.
Keywords: Polyaniline, functionalized and peptide nanostructures.
| vi
SUMÁRIO
Capítulo 1- Introdução .......................................................................................... 17
1.1.
Considerações gerais sobre Nanociências e Materiais Avançados. ....................... 17
1.2.
As Nanoestruturas peptídicas como biomateriais................................................ 18
1.2.1.
1.2.1.1.
Obtenção de nanoestruturas em fase líquida. .......................................................... 22
1.2.1.2.
Obtenção de nanoestruturas na fase sólida-vapor. .................................................. 23
1.2.2.
1.3.
Métodos de Preparação das Nanoestruturas Peptídicas do tipo 1-D . .......................... 21
Auto-organização de nanoestruturas baseadas na L-difenilalanina. ............................. 23
Polianilina e os Polímeros Condutores. ............................................................... 31
1.3.1.
Processo de dopagem e obtenção da condutividade dos polímeros condutores .......... 34
1.3.2.
Polianilina. ................................................................................................................... 36
1.4.
Funcionalização das Nanoestruturas de Peptídeos para Possíveis Aplicações em
Biossensores. ................................................................................................................ 38
Capítulo 2- Objetivos............................................................................................. 42
2.1.
Objetivos Gerais ................................................................................................ 42
2.2.
Objetivos específicos.......................................................................................... 42
Capítulo 3- Técnicas de Caracterização.................................................................. 43
3.1.
Aspectos Teóricos da Ressonância de Plásmon de Superfície (SPR). ..................... 43
3.2.
Técnicas espectroscópicas utilizadas nas caracterizações. ................................... 46
3.2.1.
Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta-visível (UV-VIS)............................. 46
3.2.2.
Espectroscopia vibracional na região do Infravermelho com Transformada de Fourier
(FT-IR).
.................................................................................................................................... 47
3.3.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). ....................................................... 49
3.4.
Voltametria Cíclica. ............................................................................................ 51
Capítulo 4- Metodologia Experimental .................................................................. 53
4.1.
Materiais e Equipamentos. ................................................................................. 53
4.1.1.
Reagentes. ................................................................................................................... 53
4.1.2.
Equipamentos. ............................................................................................................. 53
4.2.
Procedimentos Experimentais. ........................................................................... 54
4.2.1.
4.2.1.1.
Metodologia adotada na preparação das amostras para o ensaio de SPR- adsorções... 54
Limpeza dos discos de ouro. .................................................................................... 54
| vii
4.2.1.2.
Preparo das monocamadas auto-organizadas (SAM) de ácido 4-mercaptobenzóico
(HSC6H4CO2H). .......................................................................................................................... 54
4.2.1.3.
Dispersão de Polianilina ........................................................................................... 54
4.2.1.4.
Solução de NT-FF em pH 5,00(utilizando a metodologia na fase líquida). ................. 54
4.2.1.5.
Solução de NT-FF em pH 12,00(utilizando a metodologia na fase líquida). ............... 55
4.2.1.6.
Montagem do ensaio. .............................................................................................. 55
4.2.2.
Metodologia adotada na preparação das amostras – para calcular as constantes
termodinâmicas. ........................................................................................................................... 55
4.2.2.1.
Limpeza dos discos de ouro. .................................................................................... 55
4.2.2.2.
Dispersão de Polianilina. .......................................................................................... 56
4.2.2.3.
Soluções de NT-FF (utilizando a metodologia na fase líquida).: ................................ 56
4.2.2.4.
Montagem do ensaio. .............................................................................................. 56
4.2.3.
Metodologia utilizada para calcular as constantes cinéticas. ........................................ 56
4.2.4.
Metodologia utilizada na obtenção de nanoestruturas peptídicas com a metodologia na
fase sólida-vapor. .......................................................................................................................... 58
4.2.4.1.
Limpeza do substrato de Si (não dopado) e ITO. ...................................................... 58
4.2.4.2.
Filme amorfo do FF. ................................................................................................. 58
4.2.4.3.
Montagem do ensaio: .............................................................................................. 58
4.2.4.4.
Polimerização Química dos substratos crescidos em vapor de anilina. ..................... 59
4.2.4.5.
Polimerização eletroquímica dos substratos de ITO crescidos em vapor de anilina. . 60
4.2.5.
Metodologia utilizada na preparação dos eletrodos de ITO. ......................................... 60
4.2.5.1.
Limpeza do substrato e preparo do Filme amorfo. ................................................... 60
4.2.5.2.
Deposição eletroquímica da PANI. ........................................................................... 60
4.2.5.3.
Montagem do ensaio. .............................................................................................. 60
4.2.6.
Metodologia utilizada na preparação dos eletrodos de Au. .......................................... 61
4.2.6.1.
Limpeza do eletrodo de Au ...................................................................................... 61
4.2.6.2.
Preparo da SAM. ...................................................................................................... 61
4.2.6.3.
Filme amorfo do FF. ................................................................................................. 61
4.2.6.4.
Montagem do ensaio. .............................................................................................. 61
Capítulo 5- Análise e Discussão dos Resultados ..................................................... 62
5.1.
Estudo das interações interfaciais entre a PANI e as nanoestruturas peptídicas. .. 62
5.1.1.
Deposição das monocamadas. ..................................................................................... 62
5.1.2.
Cálculo das constantes Cinéticas para o sistema PANI-NT-FF. ...................................... 70
5.2.
Estudo microscópico do processo de crescimento das nanoestruturas peptídicas na
fase sólida-vapor........................................................................................................... 71
| viii
5.2.1.
Parâmetros que interferem na nanoestruturação, crescimento e orientação dos filmes. .
.................................................................................................................................... 72
5.3.
5.2.1.1.
Variação do solvente. ............................................................................................... 72
5.2.1.2.
Variação da concentração. ....................................................................................... 75
5.2.1.3.
Variação do: tempo de exposição do filme amorfo ao vapor do solvente. ................ 79
Caracterização Espectroscópica das Nanoestruturas obtidas em vapor de Água e
em vapor de Anilina. ..................................................................................................... 81
5.3.1.
Espectroscopia eletrônica (UV-vis). .............................................................................. 81
5.3.2.
Espectroscopia vibracional (FT-IR). ............................................................................... 83
5.4.
Polimerização Química da anilina, Estudo Espectroscópico e Eletroquímico do
Nanomaterial Obtido. ................................................................................................... 90
5.4.1.
Funcionalização das nanoestruturas do peptídeo FF com PANI. ................................... 90
5.4.2.
Estudo espectroscópico do nanomaterial funcionalizado. ............................................ 92
5.4.3.
Estudo eletroquímico. .................................................................................................. 95
Capítulo 6- Considerações Finais ......................................................................... 105
Capítulo 7- Referência Bibliográfica .................................................................... 106
| ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1:
Ilustração esquemática de nanoestruturas tubulares, esféricas e fibras formadas por
7b
peptídeos . ......................................................................................................................................... 20
Figura 2:
Interações de ciclo peptídeos conectados por ligações de hidrogênio 7c. ........................... 21
Figura 3:
Ilustração esquemática de seis estratégias diferentes para obter nanoestruturas do tipo 1-
D, utilizando: A) estrutura cristalina anisotrópica; B) interface sólido-líquido; C) moldes; D) controle
cinético; E) auto-organização de nanoestruturas 0-D; F) desgaste de microestruturas 1-D17. ................. 22
Figura 4:
Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de NT-FF a temperatura ambiente (RT). E após
tratamento térmico a 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C e 300 °C 21a. .......................................................... 24
Imagens obtidas por MEV de tubos e vesículas de FF na concentração de 2mg mL -1: (a) em
Figura 5:
etanol vaporizado a 25 °C; (b) em acetona vaporizada a 25 °C, (c) em etanol vaporizado a 80 °C e (d) em
acetona vaporizada a 80 °C 18. ............................................................................................................... 25
Figura 6:
MEV mostrando a estabilidade dos NT-FF em água e após meia hora de incubação em
etanol, metanol, 2-propanol, acetona e acetonitrila21a. ......................................................................... 26
Figura 7:
Ilustração esquemática das espécies iônicas predominantes em cada estágio de uma curva
de titulação, onde podemos observar da esquerda para a direita: espécie protonada, íon dipolar e
espécie desprotonada respectivamente. ................................................................................................ 27
Figura 8:
Proposta do mecanismo de autorganização da Fmoc-FF em função do grau de ionização do
23
peptídeo . ......................................................................................................................................... 28
Figura 9:
24
Representação da construção de uma nanofloresta com orientação vertical constituída de
NT-FF .
......................................................................................................................................... 29
Figura 10:
Representação da construção de NT-FF com orientação horizontal 24. .............................. 29
Figura 11:
Modelo para a construção dos NT-FF, onde em (a) Tubo com um diâmetro exterior 110 nm
e 50 nm de diâmetro interior. O quadrado branco indica a parte ampliada em (b) apresentando um
modelo da interface do canal de peptídeo na superfície interna. O retângulo representa a visão
detalhada dada em (c) uma representação das interações intermoleculares entre os átomos que
constituem a superfície do nanomaterial 25............................................................................................ 30
Figura 12:
Ilustração esquemática de uma proposta para o mecanismo de formação dos NT-FF27. ... 30
Figura 13:
Nomes, fórmulas estruturais e gaps (lacunas de energia) de alguns polímeros conjugados
34
......................................................................................................................................... 33
.
Figura 14:
Estrutura da polianilina na forma de base esmeraldina (não dopada). ............................. 36
Figura 15:
Representação esquemática da interconversão das diferentes formas da polianilina e do
mecanismo de dopagem protônica49. .................................................................................................... 37
Figura 16:
Esquema mostrando o processo de auto-montagem do nanotubo peptídico modificado
com tiol. A) substrato de ouro com monocamada de tiol. B) remoção de parte da monocamada de tiol
pela ponta do AFM. C) imobilização em posição específica do nanotubo de peptídeo modificado com tiol
51b
.
......................................................................................................................................... 40
|x
Figura 17:
A) MEV e b) Microscopia eletrônica de transmissão (MET), apresentando imagens do
compósito de nanofio/PANI. As setas pontilhadas indicam a presença de PANI na imagem e as setas
sólidas o núcleo formado pelo nanomaterial peptídico 59........................................................................ 41
Figura 18:
Esquema da configuração de Kretschmann baseada na reflexão total atenuada, onde E é o
campo evanescente, Kx o vetor da luz incidente e Ksp o vetor de plasma de superfície 63. ...................... 44
Figura 19:
Representação esquemática de um instrumento típico de SPR. Em destaque uma curva
mostrando a diferença no ângulo de incidência quando há interação de um ligante com a camada
imobilizada na superfície, sendo (I) sem interação e (II) após interação, e uma curva de associação, na
qual há uma um aumento do ângulo de incidência com o tempo 63. ....................................................... 45
Figura 20:
Um exemplo esquemático de um perfil de adsorção do SPR para adsorção de uma proteína
em um filme polimérico. A mudança no valor do ângulo do SPR em função do tempo é usada para
monitorar as cinéticas de adsorção. Onde I R – intensidade de radiação refletida (reflexibilidade) e mDA –
miligraus de ângulo 63............................................................................................................................ 46
Figura 21:
UV-VIS da PANI em diferentes estados de oxidação 41a, 67. ................................................ 47
Figura 22:
Voltamograma característico da PANI com as respectivas mudanças de cor, de acordo com
suas respectivas reações redox 75........................................................................................................... 52
Figura 23:
Ilustração esquemática do processo de adsorção dos NT-FF no filme de PANI. ................. 55
Figura 24:
Ilustração esquemática do processo de obtenção das nanoestruturas utilizando a
metodologia na fase sólida-vapor em (A) vapor de água e (B) vapor de anilina. .................................... 59
Figura 25:
Ilustração esquemática do processo de crescimento das nanoestruturas do FF e
polimerização química do substrato crescido em vapor de anilina 59 ...................................................... 59
Figura 26:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH12)/PANI no disco de ouro na
ausência de SAM. .................................................................................................................................. 63
Figura 27:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH12)/PANI no disco de ouro na
ausência de SAM. .................................................................................................................................. 64
Figura 28:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH 5)/PANI no disco de ouro na
presença de SAM. .................................................................................................................................. 65
Figura 29:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH 12)/PANI no disco de ouro na
presença de SAM. .................................................................................................................................. 66
Figura 30:
Ilustração esquemática do mecanismo proposto para estudar os processos de adsorções de
(A) Au-SAM/PANI/NT-FF (pH 5)/PANI, (B) Au/PANI/NT-FF (pH 12)/PANI. ............................................... 69
Figura 31:
MEV mostrando a presença e morfologia do filme amorfo sobre o substrato de silício. A) 16
mmol L1 B) 160 mmol L1. ..................................................................................................................... 72
Figura 32:
MEV mostrando as diferentes morfologias obtidas do filme amorfo em vapor de (A) água e
(B) anilina. Na concentração de 16 mmol L1, por 720 min a 98 °C. ........................................................ 73
Figura 33:
(A) Microscopia óptica com luz polarizada para um processo de crescimento radial
apresentado pelos polímeros, (B) MEV do filme amorfo do FF crescido em vapor de anilina. ................. 74
| xi
Figura 34:
MEV mostrando as diferentes nanoestruturas formadas a partir do filme amorfo em vapor
de água em duas concentrações diferentes (A) 16 mmol L 1 e (B) 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C. .... 76
Figura 35:
MEV mostrando as diferentes nanoestruturas formadas a partir do filme amorfo em vapor
de anilina em duas concentrações diferentes (A) 16 mmol L 1 e (B) 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C. .. 78
Figura 36:
MEV do filme amorfo do peptídeo FF na concentração de 160 mmol L 1, em vapor de
anilina a 98 °C por 60, 120, 360 e 720 min. ............................................................................................ 80
Figura 37:
Espectros eletrônicos dos nanomateriais obtidos, por meio de uma solução de FF a 160
mmol L1, a 98 °C por 720 min quando expostas ao vapor de água e anilina. ......................................... 81
Figura 38:
Ilustração esquemática da possível reação química de formação das nanoestruturas por
auto-organização na fase sólida- vapor,quando o filme amorfo do peptídeo FF está exposto ao vapor de
anilina .
......................................................................................................................................... 83
Figura 39:
Ilustração do peptídeo de FF auto-organizado apresentando (A) Formação da estrutura
tubular com canais nanométricos, corresponde à amostra do peptídeo FF na fase hexagonal P6 1. (B)
Formação da estrutura contínua em amostra do peptídeo FF na fase ortorrômbica Pba2...................... 84
Figura 40:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina (utilizando a síntese em
fase sólida-vapor) na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C e dos NT-FF obtidos utilizando a
síntese em fase líquida após tratamento térmico a 190 °C. .................................................................... 85
Figura 41:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de água (utilizando a síntese em
fase sólida-vapor) na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C e dos NT-FF obtidos utilizando a
síntese em fase líquida à temperatura ambiente. .................................................................................. 86
Figura 42:
Espectros vibracionais para os nanomateriais obtidos usando vapor de água e vapor de
anilina, na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C. ............................................................. 87
Figura 43:
MEV do (A) filme amorfo do FF na concentração de 160 mmol L 1 crescido em vapor de
anilina por 720 min a 98 °C e (B) e após polimerização química da anilina. ............................................ 91
Figura 44:
UV-vis do nanomateriais funcionalizados com PANI, e o espectro padrão da PANI em sua
forma condutora. .................................................................................................................................. 92
Figura 45:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina FF na concentração de
160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C sem polimerizar e do filme amorfo após
polimerização da anilina. ....................................................................................................................... 93
Figura 46:
Espectro Raman Ressonante do nanomaterial do peptídeo FF funcionalizado com PANI. . 95
Figura 47:
MEV mostrando a deposição da PANI sobre as nanoestruturas do peptídeo FF na
concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, após polimerização
química da anilina. VC com a resposta eletroquímica do filme mostrado no MEV após 50 ciclos em
solução de H2SO4 0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV. .............................. 96
Figura 48:
VC do filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na concentração de 160 mmol L 1
crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, após polimerização química da anilina em eletrodo de
| xii
ouro sem SAM (A) e com SAM (B) após 50 ciclos em solução de H2SO4 0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no
potencial de 200 mV a 1000 mV. ......................................................................................................... 97
Figura 49:
VC do (A) filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na concentração de 160 mmol
1
L crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, em eletrodo de ouro com filme de PANI. (B) VC com
a resposta eletroquímica do filme de PANI formado sobre o eletrodo de ouro após 5 ciclos com
sobreposição do VC apresentado em (A). Em solução de H 2SO4 0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial
de 200 mV a 1000 mV.......................................................................................................................... 99
Figura 50:
VC do Au/SAM e do Au/SAM com filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na
concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C. Em solução de H2SO4
0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV. ........................................................ 101
Figura 51:
MEV do eletrodo de ouro modificado com SAM e com o filme com nanoestruturas de FF na
concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, após polimerização
eletroquímica. ..................................................................................................................................... 102
Figura 52:
VC de Au/SAM com filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na concentração de
1
160 mmol L crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C antes (linha vermelha) e após (linha
preta) formação do filme de PANI. Em solução de H2SO4 O,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200
mV a 1000 mV. .................................................................................................................................... 103
| xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1:
Efeito do solvente nos processos de auto-organização da FF. ........................................... 25
Tabela 2:
Atribuição das bandas vibracionais (cm 1) observadas nos espectros FT-IR para BL, SE, BE e
BP 49.
......................................................................................................................................... 48
Tabela 3:
Variações nos ângulos de SPR para os discos de ouro modificados com e sem SAM. ......... 67
Tabela 4:
Quantidade de material que ficou adsorvido em cada etapa da imobilização utilizando a
técnica de SPR em ng mm2. .................................................................................................................. 70
Tabela 5:
Variação da energia livre de Gibbs para diferentes sistemas utilizando a técnica de SPR. . 71
Tabela 6:
Número de onda e o modo vibracional esperado para o nanomaterial obtido utilizando
vapor de água
Tabela 7:
89, 90
. .............................................................................................................................. 89
Número de onda e o modo vibracional esperado para o nanomaterial obtido utilizando
vapor de anilina 89,90. ............................................................................................................................. 90
Tabela 8:
Número de onda e modo vibracional esperado para o espectro do nanomaterial
modificado com PANI 114-116. .................................................................................................................. 94
| xiv
Lista de Abreviações
NTP
Nanotubos peptídicos
FF
Peptídeo L-difenilalanina
NF- FF
Nanofio do peptídeo L-difenilalanina
NT- FF
Nanotubo do peptídeo L-difenilalanina
MEV
Microscópio Eletrônico de Varredura
PANI
Polianilina
PICs
Polímeros Intrinsecamente Condutores
GAPs
Lacunas de energia
BV
Banda de Valência
BC
Banda de Condução
HOMO
do inglês Highest Occupied Molecular Orbital (orbital molecular
preenchido de mais alta energia)
LUMO
do inglês, Lowest Unoccupied Molecular Orbital (orbital molecular vazio
de mais baixa energia)
ECS
Eletrodo de Calomelano Saturado
NADH
do inglês, -nicotinamide adenine dinucleotide
DNA
do inglês, deoxyribonucleic acid (Ácido Desoxirribonucléico)
GOx
Glicose oxidase
ADH
Álcool Desidrogenase
MP11
Microperoxidase 11
ITO
do inglês, Indium tin oxide (Óxido de Estanho dopado com Índio)
LBL
do inglês, Layer-by-Layer (camada por camada)
AFM
do inglês, atomic force microscopy Microscópio de Força Atômica
SAM
do inglês self assembly monolayer (Monocamada Auto-organizada de tiol)
MET
Microscópico Eletrônico de Transmissão
SPR
do inglês, surface plasmon resonance (Ressonância Plasmônica de
Superfície)
PS
Plásmon de Superfície
UV-VIS
do inglês, Ultraviolet-visible spectroscopy (Espectroscopia na região do
Ultravioleta – Visível)
SE
Sal Esmeraldina
BL
Base Leucoesmeraldina
| xv
BE
Base Esmeraldina
BP
Base Pernigranilina
HFP
1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol
FT-IR
do inglês, Fourier transform infrared spectroscopy (Espectroscopia na
região do Infravermelho com Transformada de Fourier)
ES
Elétron Secundário
ERE
Elétrons Retroespalhado
LEMN
Laboratório de Eletroquímica e Materiais Nanoestruturados
LNLS
Laboratório Nacional de Luz Sincrotón
DSC
do inglês, differential scanning calorimetry (Calorimetria Diferencial
Exploratória)
TGA
do inglês, Thermogravimetric Analyzer (Análise Termogravimétrica)
VC
Voltamograma Cíclico
| 16
Apresentação do Trabalho
Em linhas gerais, este trabalho de mestrado está inserido dentro da linha de
pesquisa de Polímeros do programa de pós-graduação em Nanociências e Materiais
Avançados, sendo parte do grupo de pesquisa do Prof. Dr. Wendel Andrade Alves que vêm
trabalhando no Laboratório de Eletroquímica e Materiais Nanoestruturados da UFABC, no
desenvolvimento de várias técnicas para imobilização de enzimas e materiais biomiméticos em
polímeros condutores, sílica mesoporosa e superfícies nanoestruturadas de ouro, entre outros
1
. E busca desenvolver um material na forma de filme nanoestruturado, utilizando um
polímero condutor (polianilina) e nanoestruturas do tipo 1D (nanotubos, nanofios ou
nanofibras) do peptídeo L-difenilalanina, obtendo-se assim um eletrodo de nanoestruturas
peptídicas condutor, visando aplicações em sensores, biossensores e dispositivos de liberação
controlada de drogas, entre outras.
O tipo de interação, as diferentes morfologias e as propriedades eletrônicas do
sistema foram estudadas por ressonância plasmônica de superfície (SPR), microscopia
eletrônica de varredura, espectroscopia eletrônica e vibracional e voltametria cíclica.
Dentro deste contexto, este trabalho foi escrito em sete capítulos. No primeiro
capítulo foram apresentadas algumas considerações sobre Nanociências e Materiais
Avançados, assim como foi efetuada uma revisão bibliográfica sobre as Nanoestruturas
peptídicas; o Estado da Arte dos Polímeros Condutores, os Processos de dopagem e obtenção
da condutividade da polianilina. No segundo capítulo foram expostos os objetivos deste
estudo. O terceiro capítulo fez uma breve descrição das técnicas de caracterização que foram
utilizadas nas caracterizações dos materiais sintetizados. No quarto capítulo foi especificada a
parte experimental (materiais, equipamentos e metodologias adotadas). No quinto capítulo,
os resultados obtidos foram analisados e discutidos. No sexto capítulo foram apresentadas as
considerações finais do trabalho. E por fim, no sétimo capítulo foram apresentadas as
referências bibliográficas utilizadas para elaboração deste trabalho, no formato da ACS.
| 17
Capítulo 11.1.
Introdução
Considerações gerais sobre Nanociências e Materiais
Avançados.
O desenvolvimento de novos materiais tem profunda influência na evolução
social e estão intimamente relacionadas a aspectos socioeconômicos, culturais, geográficos,
demográficos, ambientais, dentre outros. De acordo com Zarbin 2, a influência dos materiais
na vida humana é tão significativa, que os períodos que marcaram o desenvolvimento de
nossa civilização foram definidos de acordo com a relação (e o domínio) do homem com os
materiais em: idade da pedra, do bronze e do ferro. O uso de materiais para proteção,
alimentação, vestimenta e moradia não só distingue os homens, como também garantiu (e
garante) sua sobrevivência e ascendência sobre outras nações.
Dentro deste contexto, um dos grandes desafios da química para este século é
construir dispositivos com propriedades ou finalidades específicas, tais como reconhecimento
molecular, transformação, transportes, sinalização, armazenamento de informação e
conversão de energia. Assim, as propriedades do material desenvolvido seriam decorrentes da
organização funcional e sinergia de cada componente no espaço. Portanto, o controle rigoroso
sobre os processos de síntese de nanomateriais, levando à produção reprodutível de amostras
com alto grau de homogeneidade, corresponde a um dos fatores responsáveis pelo grande
interesse por parte da comunidade científica em pesquisar e desenvolver novas estratégias
para sintetizar, caracterizar e aplicar os mais variados tipos de materiais.
De maneira direta, podemos fundamentar a Nanociência sobre um grande alicerce2: o
fato de que as características dos materiais, da maneira pela qual as conhecemos, estão
profundamente associadas ao tamanho das partículas deste material. Em outras palavras,
todas as propriedades dos materiais (óticas, elétricas, magnéticas, de transporte, catalíticas,
entre outras), manifestam-se a partir de um determinado tamanho, chamado de crítico.
Quando as partículas deste material estão abaixo deste tamanho crítico, esta propriedade se
torna diferenciada. Por outro lado, para o estudo de uma mesma propriedade, o tamanho
crítico é diferente para os diferentes materiais. Além disso, quando abaixo do tamanho crítico,
as propriedades do material dependem também da forma das partículas. Em outras palavras,
nanopartículas esféricas com diâmetro de 5 nm têm propriedades diferentes daquelas
| 18
encontradas para o mesmo material, mas com nanopartículas na forma de bastão com 5 nm
de comprimento.
Do ponto de vista de síntese, pode-se dividir as tecnologias em: tecnologias do tipo
Botton-Up e tecnologias do tipo Top-Down 3. O termo Botton-up refere-se às tecnologias de
fabricação que utilizam uma organização “de baixo para cima” na escala de dimensão. Assim, a
construção de estruturas é feita átomo a átomo ou molécula a molécula, utilizando técnicas de
síntese química, auto-organização. Por outro lado, o processo envolvido nas tecnologias TopDown segue um caminho oposto partindo de um escalonamento “de cima para baixo”, onde
se inicia com uma grande porção de material que ao longo do processo de fabricação vai
sendo removido até obtenção do nanomaterial desejado 3.
Estas reflexões nos conduzem para uma nova realidade: novos materiais, com novas
propriedades e possibilidades de utilização, podem ser formados por meio do controle do
tamanho e formato das partículas de materiais já conhecidos. Este “efeito de tamanho” é
característico da matéria e se manifesta devido a vários motivos, dentre eles: a alta razão
superfície/volume e o fato de que os portadores de carga, em nanomateriais, ficam confinados
nas dimensões reduzidas das partículas.
Desta forma, todas as classes de materiais (metais, semicondutores, cerâmicas,
polímeros e compósitos) podem ter suas propriedades modificadas sem que se altere sua
composição química e/ou estrutura tridimensional, mas única e tão somente pelo controle do
tamanho e morfologia de suas partículas. Atualmente, a explicação mais aceita define
nanomateriais2 como sendo materiais que possuem ao menos uma dimensão na faixa de
tamanho nanométrico, abaixo do tamanho crítico capaz de alterar alguma de suas
propriedades.
Dentro deste contexto, os nanomateriais peptídicos despertaram o interesse da
comunidade científica, por serem materiais inteligentes e versáteis, uma vez que suas
propriedades podem ser moduladas em função do ajuste e controle de propriedades físicoquímicas do meio reacional.
1.2.
As Nanoestruturas peptídicas como biomateriais.
O termo biomateriais é atribuído a materiais que possam ser utilizados em
aplicações médicas como: implantes cerâmicos, biopolímeros e diversos compósitos, dentre
outros 4, no entanto com o advento da biologia molecular e biotecnologia, e sabendo que
muitos dos biomateriais citados não são adequados para aplicações médicas 5, estudos estão
| 19
sendo direcionados na obtenção de novos materiais biológicos e biomiméticos que possam
ser utilizados pelos vários ramos da medicina nas mais variadas aplicações.
Desta forma, os nanomateriais peptídicos, que são constituídos por pequenas
sequências de aminoácidos, apresentam-se como candidatos promissores para substituírem
ou serem uma alternativa aos já existentes nanotubos de carbono e nanotubos de metais de
transição,6pois eles oferecem inúmeras vantagens para aplicações biológicas, tais como
biocompatibilidade, seletividade e uma grande versatilidade, pois, podem se ligar tanto com
elementos químicos quanto com os biológicos, facilidade de preparação, dimensões reduzidas
e sua relativa estabilidade físico-química 7,8, o que favorece sua utilização em aplicações como
biomedicina, biotecnologia 7, 9, sensores, biossensores e biocélulas a combustível 7.
Para esta nova classe de materiais, os blocos de construção mais utilizados são os
L-aminoácidos. No entanto, D-aminoácidos também podem se auto-organizar formando
nanofibras semelhantes àquelas obtidas com os L-aminoácidos
10
. Já para a formação de
nanoestruturas peptídicas tubulares, diferentes sequências peptídicas têm sido relatadas, tais
como: o heptapeptídeo CH3CO-Lys-Leu-Val-Phe-Phe-Ala-Glu-NH2
11
, o dipeptídeo

NH3-Phg-
Phg-COO 12 e NH3-Phe-Trp-COO 13.
Contudo, os primeiros nanotubos peptídicos (NTPs) foram obtidos por Ghadiri e
colaboradores a partir de compostos cíclicos
14
. Porém, sua formação utilizando peptídeos
lineares foi observada somente em 2001, quando o grupo formado por Reches e
colaboradores
15
estudava a habilidade que algumas sequências de peptídeos aromáticos
curtos (até no máximo hexapeptídeos) possuíam para formar estruturas bem organizadas do
tipo nanofibras amilóides (estas estruturas são as responsáveis por um grupo diverso de
doenças entre elas Alzheimer e diabetes do tipo II).
Portanto, além da capacidade de se auto-organizar na forma de nanofibras
nanotubos
11-13
, ou nanoesferas
7a
10
,
essa nova classe de material pode ter suas propriedades
modificadas por meio de alterações na sequência dos resíduos de aminoácidos utilizados na
sua preparação (FIG. 1), constituindo este, um fator de grande relevância na construção desses
novos sistemas
10
. Tais alterações foram reportadas em um trabalho realizado por meio de
modificações estruturais, em que os autores variaram somente os D-aminoácidos na obtenção
de NTPs 16, de acordo com os autores, ao empregar os diferentes enantiômeros (D, L) observase a formação de sistemas supramoleculares distintos, com alterações em suas propriedades
eletrônicas e estruturais 16.
| 20
Sequências que formam Nanofibras
Sequências que formam Nanotubos
Sequências que formam Nanoesferas
Figura 1:
Ilustração esquemática de nanoestruturas tubulares, esféricas e fibras
formadas por peptídeos7b.
Todavia, o mecanismo de formação dessas estruturas ainda não está bem
estabelecido. A explicação mais aceita sugere que estes nanomateriais peptídicos formam
estruturas supramoleculares diversificadas que podem ser interligados por meio de interações
intermoleculares não covalentes como a força de van der Waals, eletrostáticas, hidrofóbicas,
ligações de hidrogênio, entre outras
7-8
. Um exemplo de formação de nanoestruturação
peptídica, ilustrado na FIG. 2, é o reconhecimento molecular de ciclopeptídeos por ligações de
hidrogênio 7c.
| 21
Figura 2:
Interações de ciclo peptídeos conectados por ligações de hidrogênio 7c.
1.2.1. Métodos de Preparação das Nanoestruturas Peptídicas do tipo 1-D .
Nos últimos anos uma variedade de métodos químicos foram adaptados para
obtenção de nanoestruturas 1-D17. A FIG.3 Ilustra algumas dessas estratégias: i) utilização de
uma estrutura cristalina anisotrópica para orientar o crescimento da estrutura 1-D (FIG. 3A); ii)
inserção de um sólido cristalino na solução para promover o crescimento orientado a partir da
interface sólido-líquido (FIG. 3B); iii) utilização de moldes (FIG. 3C); iv) utilização de
surfactantes para controlar o crescimento das várias faces de um cristal (FIG. 3D); v) autoorganização de nanoestruturas 0-D(FIG. 3E); vi) desgaste de microestruturas 1-D(FIG. 3F).
Muitos destes métodos não tinham sido demonstrados até recentemente, no entanto suas
excelentes propriedades como alta reprodutibilidade, uniformidade, homogeneidade dos
nanomateriais sintetizados e relação custo-benefício, que são apenas algumas de suas
vantagens, fizeram com que se tornassem técnicas comuns no desenvolvimento de
nanomateriais para diversas aplicações tecnológicas17.
| 22
Figura 3:
Ilustração
esquemática
de
seis
estratégias
diferentes
para
obter
nanoestruturas do tipo 1-D, utilizando: A) estrutura cristalina anisotrópica; B) interface sólidolíquido; C) moldes; D) controle cinético; E) auto-organização de nanoestruturas 0-D; F)
desgaste de microestruturas 1-D17.
Uma abordagem mais detalhada, sobre as várias metodologias propostas para
obtenção de nanoestruturas do tipo 1-D, pode ser encontrada na referência18. Neste trabalho
serão discutidas as duas metodologias (em fase líquida e na fase sólida-vapor) utilizadas.
1.2.1.1.
Obtenção de nanoestruturas em fase líquida.
Considerando o peptídeo L-difenilalanina (FF), a obtenção de nanoestruturas em
fase líquida é dividida em duas etapas, a primeira consiste na dissolução do composto em um
solvente orgânico. Na segunda etapa, ocorre o processo nanoestruturação espontânea. Este
método de síntese permite obter
microtubos formado por nanotubos peptídicos com
diâmetros que variam entre 80 e 300 nm. A simplicidade e rapidez com que as nanoestruturas
são obtidas são algumas das vantagens da metodologia na fase líquida. No entanto, a falta de
controle sobre os processos de agregação faz com que microestruturas sejam obtidas ao invés
de nanoestruturas, sendo esta uma das principais limitações desta técnica.
| 23
Por meio desta metodologia, Kim e colaboradores 19, relataram que a formação
de nanoestruturas do tipo nanofios de FF (NF-FF) foram obtidas em pH básico, e nanotubos de
L-difenilalanina (NT-FF) em pH ácido. Outra variável estudada pelos autores foi a concentração
do dipeptídeo. Eles concluíram que em altas concentrações a nanoestrutura predominante é a
de nanofios e em baixas concentrações nanotubos.
1.2.1.2.
Obtenção de nanoestruturas na fase sólida-vapor.
A formação de NT-FF também tem sido reportada por meio da automontagem,
orientada na fase sólida-vapor. Esta técnica que utiliza a estratégia “de baixo para cima” para
auto-organizar as nanoestruturas, consiste em formar um filme de FF sobre a superfície de um
substrato (por exemplo, silício), com posterior evaporação do solvente na ausência de
umidade, etapa denominada de fase sólida. A fase vapor consiste em manter o filme em
atmosfera de um segundo solvente, etapa na qual ocorre o processo de nanoestruturação.
Nessa técnica, parâmetros tais como: temperatura, pressão de vapor do solvente,
concentração da solução e tempo de exposição do filme ao solvente são fatores que
influenciam no processo de nanoestruturação. Portanto, a possibilidade de variar esses
parâmetros e obter nanoestruturas completamente diferentes são algumas das vantagens
desta metodologia. No entanto, o processo de obtenção das nanoestruturas não é imediato,
sendo esta uma das desvantagens da técnica.
Essa metodologia foi utilizada por Ryu e Park, na obtenção de nanoestruturas de
FF do tipo 1-D
20
. Neste trabalho, os autores estudaram a influência dos parâmetros
temperatura e atividade da água de uma solução saturada contendo diferentes sais no
processo de nanoestruturação. De acordo com os autores, conforme a atividade da água
aumenta ocorre a formação de nanoestruturas. No entanto, para valores inferiores a 0,3 de
atividade não foi possível observar a formação de nanoestruturas. Além disso, concluiram que
o processo de nanoestruturação, para esse sistema, ocorre somente na faixa de temperatura
entre 100–150 °C.
1.2.2. Auto-organização de nanoestruturas baseadas na L-difenilalanina.
Um dos peptídeos mais usados na síntese de nanoestruturas é a L-difenilalanina.
Os NT-FF exibem diversas propriedades exclusivas, como alta homogeneidade ao longo de
toda a extensão do tubo, biocompatibilidade, estabilidade frente a diversos solventes e
estabilidade térmica. Neste sentido, existem trabalhos que investigam o controle estrutural
| 24
dos NT-FF variando parâmetros como: temperatura, solvente, metodologia de obtenção,
substrato e pH 21.
A estabilidade térmica dos NT-FF foi estudada por Adler-Albramovich e
colaboradores
21a
. Neste trabalho, as amostras de NT-FF foram obtidas utilizando a
metodologia na fase líquida. De acordo com os autores os NT-FF mantém sua morfologia até
temperaturas da ordem de 200 °C, sendo que a degradação total ou a perda da morfologia
tubular ocorre entre 200 e 300 °C, conforme ilustrado na FIG. 4. A estabilidade térmica tem
sido atribuída às interações do tipo -stacking entre resíduos aromáticos que mediam a
formação das estruturas 13.
Figura 4:
Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de NT-FF a temperatura ambiente
(RT). E após tratamento térmico a 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C e 300 °C 21a.
Demeriel e colaboradores estudaram a influência do solvente no processo de
nanoestruturação do peptídeo L-difenilalanina (FF), utilizando o método de obtenção na fase
sólida-vapor, com algumas adaptações
22
. Para tanto, o grupo manteve constante a
concentração da solução precursora em 2 mg mL-1 e variaram o solvente utilizado na segunda
etapa do processo. Os resultados obtidos mostraram que existe uma relação, entre as
| 25
constantes dielétricas dos solventes utilizados e a morfologia das nanoestrutruras formadas,
conforme listado na TAB. 1. Microscopias indicando as nanoestruturas obtidas são
apresentadas na FIG. 5.
Tabela 1:
Efeito do solvente nos processos de auto-organização da FF.
Solvente
Constante Dielétrica
Água
Metanol
Etanol
Acetona
Tetrahidrofurano
Clorofórmio
Tolueno
Benzeno
Figura 5:
Estrutura Formada
80,1
32,6
24,3
20,7
7,5
4,8
2,4
2,3
Nanotubo
Nanotubo
Nanotubo
Nanovesícula
-
Imagens obtidas por MEV de tubos e vesículas de FF na concentração de 2mg
mL-1: (a) em etanol vaporizado a 25 °C; (b) em acetona vaporizada a 25 °C, (c) em etanol
vaporizado a 80 °C e (d) em acetona vaporizada a 80 °C 18.
No entanto, Adler-Albramovich e colaboradores
21a
, utilizando a metodologia de
obtenção dos NT-FF na fase líquida obtiveram resultados diferentes quando investigaram a
estabilidade do NT-FF frente aos mesmos solventes orgânicos. De acordo com os autores, os
NT-FF não sofrem modificações morfológicas após tratamento em etanol, metanol, 2propanol, acetona e acetonitrila, conforme pode ser observado na FIG. 6. O que nos permite
inferir que assim como os solventes, as metodologias de obtenção das nanoestruturas
desempenham papel importante, favorecendo ou dificultando as interações entre o peptídeo
| 26
FF e os solventes, fazendo com que os nanomateriais resultantes apresentem morfologias e
propriedades diferentes.
Figura 6:
MEV mostrando a estabilidade dos NT-FF em água e após meia hora de
incubação em etanol, metanol, 2-propanol, acetona e acetonitrila21a.
| 27
Outra propriedade importante do peptídeo L-difenilalanina (FIG.7) é seu caráter
zwiteriônico, o que lhe permite se ionizar como fazem os aminoácidos livres e adquirir uma
carga líquida positiva, neutra ou negativa em função do pH do meio. Ou seja, em pH muito
baixo (aproximadamente pH 2,0), a espécie iônica predominante é a forma totalmente
protonada. No ponto médio da primeira etapa da titulação, onde o grupo-COOH perde seu
próton, as concentrações equimolares das espécies doadora de prótons (–NH3+) e receptora de
próton (–COO-) estão presentes, e a espécie predominante é um íon dipolar. Em pH muito alto
(aproximadamente pH 9,0) a espécie predominante é a forma totalmente desprotonada,
conforme mostrado na FIG.7.
O
+
H3N
O
CH C NH CH
H2C
C OH
+
HO
-
pK1
O
+
H3N
CH2
O
CH C NH CH
C O
-
+
HO
-
CH2
H2C
pK2
O
H2N
CH C NH CH
H2C
Figura 7:
O
C O
-
CH2
Ilustração esquemática das espécies iônicas predominantes em cada estágio
de uma curva de titulação, onde podemos observar da esquerda para a direita: espécie
protonada, íon dipolar e espécie desprotonada respectivamente.
Essa propriedade foi recentemente analisada por Tang e colaboradores
23
. Eles
estudaram a influência dos processos de nanoestruturação do peptídeo L-difenilalanina nos
valores de pKa da nanoestrutura protegida (Fmoc-FF), para isso partiram de uma solução
básica (pH 10) contendo o dipeptídeo protegido já nanoestruturado (Fmoc-FF-) e titularam
com uma solução de HCl. De acordo com os autores era de se esperar somente um pKa para
solução uma vez que o grupo amino do FF estava protegido, no entanto foram observadas
duas transições de fase (solução transparente – gel translúcido e solução turva – solução com
duas fases) associadas ao deslocamento do pKa, conforme ilustrada na FIG.8.
| 28
Figura 8:
Proposta do mecanismo de autorganização da Fmoc-FF em função do grau de
ionização do peptídeo 23.
A primeira transição ocorreu entre os pH 10,2 e 9,5, pois em pH elevado a maioria
das moléculas estão ionizadas com cargas negativas em solução, e os processos de autoorganização não podem ser observados. Conforme a solução vai sendo gradualmente
neutralizada entre os pH 9,5 e 6,2, observa-se a diminuição da carga superficial das moléculas
de Fmoc-FF , que consequentemente favorece os processos de auto-organização lateral das
cadeias e formação das nanoestruturas. A segunda transição de fase ocorre entre os pH 6,5 e
5,2, nesta fase considera-se que todas as moléculas de Fmoc-FF que estavam inoziadas em
solução foram neutralizadas, permitindo que mais material se auto-organizasse e se
agregassem formando estruturas maiores
Os NT-FF também podem ser orientados de modo a se obter estruturas
orientadas verticalmente e horizontalmente. Reches e Gazit
24
conseguiram obter, a
orientação vertical por meio da síntese de NT-FF sobre uma placa de vidro siliconizada,
formando espécies orientadas verticalmente (FIG.9). Os autores modificaram os NT-FF com
nanopartículas magnéticas do tipo Fe3O4, o que lhes permitiram formar espécies orientadas
horizontalmente (FIG.10), na presença de um campo magnético.
| 29
Figura 9:
Representação da construção de uma nanofloresta com orientação vertical
constituída de NT-FF 24.
Figura 10:
Representação da construção de NT-FF com orientação horizontal 24.
Foram propostos na literatura, modelos teóricos
25,14
e experimentais 13, 24, 26 que
descrevem mecanismos para explicar o processo de auto-organização do FF. Esses modelos
são baseados em estudos cristalográficos do FF e nos tipos de interações secundárias entre o
FF e as moléculas de água.
Görbitz25 propôs um modelo experimental para a construção de um NT-FF
arbitrariamente escolhido para ter um diâmetro exterior de 110 nm e diâmetro interno de 50
nm, apresentado na FIG. 11(A). A natureza exata da superfície interna mostrada na FIG. 11(B)
| 30
não é conhecida, mas pode ser parte hidrofóbica outra hidrofílica, ou completamente
hidrofóbica. Os estreitos canais tiveram seus diâmetros calculados por meio da equação de
estados de van der Waals, com diâmetro = 10 Å, FIG 11(C). Estes estreitos canais sendo
hidrofílicos podem acomodar moléculas hospedeiras de certa dimensão, bem como íons
metálicos hidratados, os grupos aromáticos geraram um arranjo tridimensional empilhado que
se liga a cadeias principais dos NT-FF promovendo a formação da fibra
Figura 11:
Modelo para a construção dos NT-FF, onde em (a) Tubo com um diâmetro
exterior 110 nm e 50 nm de diâmetro interior. O quadrado branco indica a parte ampliada em
(b) apresentando um modelo da interface do canal de peptídeo na superfície interna. O
retângulo representa a visão detalhada dada em (c) uma representação das interações
intermoleculares entre os átomos que constituem a superfície do nanomaterial 25.
A
grande maioria dos
trabalhos
experimentais
13,
24,
26-27
considera
simplificadamente que as nanoestruturas do FF se auto-organizam a partir do monômero FF,
conforme ilustrado na FIG. 12.
Figura 12:
Ilustração esquemática de uma proposta para o mecanismo de formação dos
NT-FF27.
Contudo, os NT-FF possuem características de isolante elétrico (Egap = 3,6 eV), 10,28
o que restringe suas aplicações em sensores, biossensores, nanoeletrônica, dentre outros. Um
dos fatores relacionados ao aumento da condutividade elétrica nos NTPs está associado à
presença de substituintes aromáticos ao redor do tubo
28
. A presença desses substituintes
| 31
pode ser alcançada por meio da funcionalização desses materiais com átomos, moléculas,
nanopartículas com o intuito de conseguir a propriedade desejada.
1.3.
Polianilina e os Polímeros Condutores.
A facilidade e o baixo custo de processamento fizeram com que os materiais
poliméricos se tornassem abundantemente presentes em nossa vida, inicialmente, eles foram
utilizados com o intuito de substituir os materiais isolantes feitos a base de papel e tiveram
uma excelente aceitação por serem materiais leves, baratos e altamente isolantes. Nos anos
60 verificou-se que a resistência elétrica destes materiais seguia a Lei de Ohm
29
e tornava-se
menor quando cargas condutoras como fibras metálicas ou negro de fumo eram incorporadas
à matriz polimérica. Estes polímeros carregados se desenvolveram com o crescimento do setor
eletrônico. A condutividade (da ordem de 10 S cm-1) e o baixo custo de produção
possibilitaram sua utilização em blindagem contra radiação eletromagnética e proteção
antiestática de circuitos eletrônicos, por exemplo. E a partir daí, estes materiais passaram a ser
denominado polímeros condutores extrínsecos, uma vez que são as cargas incorporadas que
asseguram a condução eletrônica do material.
No entanto, nos últimos anos uma nova classe de polímeros orgânicos passou a
ser desenvolvido cuja importância está relacionada à possibilidade de conduzir eletricidade 30.
Os membros desta nova classe de materiais, chamados de "metais sintéticos", possuem uma
característica em comum: longos sistemas  conjugados, ou seja, uma alternância de ligações
simples e duplas ao longo da cadeia. O interesse evidente era combinar em um mesmo
material as propriedades elétricas de um semicondutor ou metal com as vantagens de um
polímero, no entanto, o desenvolvimento inicial destes materiais foi inibido, pois a estrutura
conjugada destes compostos tornava as cadeias rígidas o que produzia uma intratabilidade
extrema, tal que a maioria dos primeiros exemplos de polímeros condutores eram infusíveis,
insolúveis e, portanto, de pouco valor tecnológico.
Somente na década de 70 foram descobertos polímeros que por si só
apresentavam certo valor de condutividade, quando acidentalmente, um aluno do professor F.
Shirakawa, na Universidade de Tsukuba, Japão, tentando sintetizar acetileno, obteve um filme
lustroso e prateado
29-30
. O material resultante apresentou características de semicondutor,
despertando pouco interesse. Entretanto, o mesmo professor Shirakawa juntamente com A.
Heeger e o professor MacDiarmid descobriram que, ao tratar poliacetileno com ácido ou base
| 32
de Lewis, era possível aumentar a condutividade deste material em até 13 ordens de grandeza,
por meio de um processo conhecido como dopagem (remoção ou adição de elétrons na cadeia
polimérica) 29-31. O termo dopagem é utilizado em analogia com os semicondutores inorgânicos
cristalinos, sugerindo semelhanças com os polímeros intrinsecamente condutores (PICs). Em
ambos os casos a dopagem é aleatória e não altera a estrutura do material. No entanto, na
dopagem de um polímero as impurezas não são introduzidas nas cadeias, mas sim nas suas
"vizinhanças". A interação impureza-cadeia gera deformações e "defeitos carregados"
localizados, responsáveis pelo aumento na condutividade 31. Outra diferença significativa está
na quantidade de dopante utilizada. Enquanto os semicondutores apresentam "impurezas"
que atuam como dopantes, da ordem de ppm, os PICs chegam a ter 50% em massa de
dopantes. A descoberta dos polímeros condutores rendeu aos pesquisadores citados e ao
professor A. MacDiarmid, o prêmio Nobel da Química em 2000 32.
Desde a publicação do trabalho de MacDiarmid e colaboradores
33
houve um
crescimento significativo da pesquisa sobre estruturas poliméricas conjugadas, levando ao
desenvolvimento de novas famílias de polímeros condutores. Com modificações químicas
apropriadas, eles podem exibir um intervalo de condutividades desde semicondutor até
condutor, chegando a condutividades comparáveis à do cobre (106 S cm-1). Dentre as famílias
mais estudadas citamos: poliacetileno, polianilina, polipirrol e politiofeno; cujas estruturas e
valores de condutividades são mostrados na FIG. 13.
| 33
Figura 13:
Nomes, fórmulas estruturais e gaps (lacunas de energia) de alguns polímeros
conjugados 34.
A obtenção dos polímeros condutores, com exceção do poliacetileno, é bastante
simples, sendo o método eletroquímico o mais relatado. A eletropolimerização tem
estequiometria eletroquímica entre 2,2 e 2,6 F mol1, dependendo do polímero e das
condições de síntese.
29
No processo de polimerização são consumidos 2,0 F mol1 e a carga
excedente são usadas no processo de dopagem do polímero, o qual ocorre simultaneamente à
síntese. O mecanismo de eletropolimerização para heterocícliclos considera a formação de um
cátion-radical do monômero, seguida do acoplamento de dois cátions radicais, com saída de
dois prótons e reconstituição do sistema aromático 32. A reação continua com o acoplamento
de cátions radicais do monômero e cátions radicais dos oligômeros formados.
Os polímeros condutores podem também ser obtidos por síntese química
35
.
Neste caso, um agente oxidante é introduzido no meio reacional provocando a formação do
cátion radical. A princípio, o requisito básico para a espécie ser utilizada como oxidante é
possuir um potencial de redução suficiente para a oxidação do monômero.
Inúmeras aplicações tecnológicas têm sido propostas e desenvolvidas para
polímeros condutores baseando-se, principalmente 36:
| 34
 Na condutividade do polímero condutor puro ou de uma blenda do polímero condutor
com um polímero convencional (aplicação em diodos emissores de luz 37, filmes para
dissipação de carga estática 38;
 Nas propriedades eletroquímicas de oxi-redução do polímero (janelas eletrocrômicas,
39
capacitores 40, dispositivos para armazenamento de energia 38;
 Na formação de estados excitados no polímero (componente de dispositivos para
óptica não-linear 38-39;
 Na morfologia/microestrutura do polímero (sensores químicos 41, catálise 30a, 33a).
1.3.1. Processo de dopagem e obtenção da condutividade dos polímeros
condutores
Os polímeros condutores na forma não-dopada são materiais intrinsecamente
isolantes ou semicondutores cujo aumento da condutividade elétrica é alcançado por meio do
processo de dopagem. A mudança de um estado isolante para condutor do polímero é
acompanhada por mudanças nas suas propriedades ópticas e magnéticas. O processo de
dopagem consiste de uma reação redox, na qual o polímero neutro (isolante) é oxidado ou
reduzido e convertido em um complexo iônico. Este complexo consiste em um íon polimérico
(um cátion, quando o polímero é oxidado ou um ânion, quando reduzido) e um contra-íon
(forma reduzida de um agente oxidante ou a forma oxidada de um agente redutor). Em
analogia aos semicondutores inorgânicos, a utilização de um agente oxidante corresponde à
dopagem do tipo-p enquanto o uso de um agente redutor resulta na dopagem do tipo-n 42.
Inicialmente, o modelo teórico mais utilizado para explicar a condutividade
elétrica dos polímeros condutores foi o modelo de bandas, onde se considerava que a
interação entre os átomos resultaria na formação de uma banda eletrônica, sendo os níveis
eletrônicos ocupados de maior energia, a banda de valência (BV) e os níveis eletrônicos vazios
de menor energia, a banda de condução (BC). Estas bandas poderiam ser correlacionadas com
os orbitais moleculares preenchidos de mais alta energia (do inglês, Highest Occupied
Molecular Orbital, HOMO) e com os orbitais moleculares vazios de mais baixa energia (do
inglês, Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO), respectivamente. Logo, a diferença de
energia entre estas duas bandas, denominada gap, poderia gerar três comportamentos bem
distintos: quando a diferença de energia fosse superior à 4 eV, o material seria considerado
um isolante; menor que 4 eV semicondutor e quando ocorresse a sobreposição das duas
banda, ou seja, a BV está inserida na BC, teríamos um material condutor 43. Para os polímeros
condutores o gap, geralmente, é da ordem de 1,5 eV, o que os tornaria um semicondutor e
| 35
sua condutividade era explicada assumindo que em polímeros com excesso de cargas
negativas, eram inseridos cátions. Já a sua condutividade era dada pela movimentação de
elétrons na BC, e, portanto, a dopagem do tipo n. No caso contrário temos a dopagem do tipo
p 44.
Entretanto, este modelo de bandas unidimensional não explicava o fato da
condutividade do poliacetileno estar associada aos portadores de carga com spin zero e não
aos elétrons desemparelhados. Para explicar a condutividade do poliacetileno, Su e
Colaboradores
43
propuseram um modelo baseado na existência de defeitos estruturais na
cadeia, originados durante a polimerização, com formação de radicais no estado não dopado.
O defeito deslocalizado, chamado sóliton neutro, leva ao aparecimento de um nível eletrônico
semipreenchido (1 elétron) no meio do gap. Por oxidação ou por redução, é possível remover
ou adicionar outro elétron, formando sólitons carregados com spin zero e constatar que a
condução de elétrons envolve somente bandas totalmente preenchidas no estado
fundamental.
O modelo baseado em sólitons não explicava o comportamento apresentado por
polímeros como polipirrol, politiofeno e polianilina. Para o polipirrol, por exemplo, por meio da
dopagem tipo-p, a remoção inicial de um elétron da cadeia leva à formação de um estado
eletrônico denominado pôlaron, ao qual está associada uma distorção da cadeia, da forma
aromática para quinóide
30a, 43
. Cálculos teóricos mostraram que a estrutura quinônica tem
energia de ionização menor e maior afinidade eletrônica que a aromática. A localização da
carga na cadeia polimérica é então energeticamente favorecida sob um processo de oxidação
com uma distorção da rede. Desta forma, o pôlaron, é definido como um íon radical (spin ½)
associado a uma distorção da rede e à presença de estados eletrônicos localizados no meio do
gap. A remoção de um segundo elétron origina um bipôlaron, definido como um par de cargas
associadas a uma forte distorção da rede.
Cálculos teóricos mostraram que o bipôlaron é termodinamicamente mais estável
que dois pôlarons separados, devido à repulsão coulombiana de duas cargas confinadas num
mesmo sítio
30a, 42
. Estes estados de energia criados no gap permitem transições eletrônicas
que induzem mudanças de coloração com a dopagem, sendo este o modelo mais aceito para
explicar o comportamento eletrônico dos polímeros condutores.
| 36
1.3.2.
Polianilina.
Inicialmente a anilina era conhecida como índigo sendo obtida a partir de plantas
do gênero Indigofera, comum em regiões tropicais, sua aplicação foi diversificada durante a
revolução industrial quando, em 1856, Perkins 45, que estava tentando sintetizar o quinino, um
composto orgânico com propriedades antitérmicas e analgésicas que poderia ser utilizado
contra os sintomas da malária, acabou produzindo uma substância azulada que mais tarde foi
reconhecida como o primeiro corante artificial da História. Esta descoberta não foi atribuída
ao acaso, Perkins havia sido aluno de Hofmann, um dos pioneiros no estudo da anilina
sintetizada quimicamente. Ele acreditava que “o cristalino” (substância obtida por
Unverdorben em 1826, por meio da destilação do índigo), e o kyanol ou cyanol (substância
isolada a partir do alcatrão por Runge em 1834), eram a mesma substância: a fenilamina ou
aminobenzeno de composição química igual a C5H5NH245.
Em 1841, Fritzche
45
tratando o índigo com hidróxido de potássio produziu um
óleo o qual ele nomeou de anilina (anil é derivado do sânscrito Neel ou azul). Depois disso,
Letheby
46
em 1862 realizou a primeira polimerização eletroquímica da anilina a partir da
eletrólise do sulfato de anilina. Em 1900, a anilina já era produzida e vendida comercialmente,
ampliando o seu uso nas indústrias de vulcanização, farmacêutica e alimentícia, porém, foi
somente com a descoberta e o desenvolvimento dos polímeros condutores que a anilina
atingiu grande importância científica e tecnológica.
A partir de 1980, MacDiarmid estudando os trabalhos de Josefowicz
47
sobre os
efeitos de ácidos nas propriedades eletroquímicas e na condutividade da PANI, ampliou os
estudos e consequentemente, expandiu a utilização da PANI em diversas aplicações
tecnológicas. O método de síntese geralmente é escolhido em função da aplicação a que o
polímero se destina
44b
, contudo independentemente do método de síntese escolhido, sua
composição química na forma de base (não dopada) é representada por uma estrutura geral 42,
44a
formada por y e (1-y) unidades repetitivas das espécies reduzidas e oxidadas,
respectivamente, conforme apresentado na FIG.14.
Figura 14:
Estrutura da polianilina na forma de base esmeraldina (não dopada).
| 37
A princípio, y pode variar de 0 até 1, mas duas formas extremas e uma forma
intermediária são usualmente diferenciadas na literatura 48: a forma totalmente reduzida (y =
1), conhecida por leucoesmeraldina; a forma totalmente oxidada (y = 0), a pernigranilina, e a
forma parcialmente oxidada (y = 0,5), esmeraldina.
Esta estrutura geral (FIG.14) mostra somente as formas básicas do polímero, no
entanto, a PANI pode ser dopada por protonação, isto é, sem que ocorra alteração no número
de elétrons associados à cadeia polimérica, conforme ilustrado na FIG. 15. Logo, os nitrogênios
imínicos e amínicos destas espécies podem estar total ou parcialmente protonados,
dependendo do pH da solução ao qual o polímero foi exposto, obtendo-se o polímero na
forma de sal (forma dopada). O sal esmeraldina é a forma estrutural onde a PANI alcança os
maiores valores de condutividade 48.
Segmento Benzênico
NH
NH
-2eH3C
NH
NH
NH2
Base Leucoesmeraldina
segmento quinônico
+2H+, -2e-
H2N
N
NH
segmento semiquinônico
+2H+
NH
N
NH2
+
NH
H3C
Base Esmeraldina
NH
NH
NH+
CH3
Sal Esmeraldina
+2H+, -2e-
Base Pernigranilina
N
N
H2N
N
Figura 15:
N
NH2
Representação esquemática da interconversão das diferentes formas da
polianilina e do mecanismo de dopagem protônica49.
Conforme ilustrado na FIG. 15, por meio de reações de oxidação e redução, bem
como de tratamentos com ácidos e bases, é possível converter reversivelmente, a PANI em
suas diferentes formas, o que confere a este polímero um grande potencial de aplicações
tecnológicas 50.
| 38
1.4.
Funcionalização das Nanoestruturas de Peptídeos para
Possíveis Aplicações em Biossensores.
Com o propósito de obter novas propriedades , assim como aperfeiçoar e
potencializar as propriedades existentes e, portanto, aumentar a esfera de aplicações dos
nanomateriais, pesquisas estão sendo realizadas buscando estratégias que promovam a
interação destes materiais com outros compostos. Esse tipo de procedimento é denominado
funcionalização, nesse caso, átomos ou moléculas podem se ligar de forma covalente ou nãocovalente com as nanoestruturas peptídicas, promovendo modificações químicas, alterando as
propriedades originais desses materiais.
Muitos estudos estão sendo realizados nesta área, dentre eles podemos citar a
funcionalização de nanoestruturas peptídicas com: nanopartículas de metais de transição
51
,
polímeros, fluoróforos 21b, entre outros.
O estudo da transferência eletrônica biológica a longas distâncias tem sido
especialmente desafiador nas últimas décadas, tanto do ponto de vista teórico
experimental
53
52
como do
. Tunelamento eletrônico e reconhecimento molecular são alguns dos
conceitos essenciais que têm sido estabelecidos por meio de técnicas experimentais
poderosas e precisas, tais como medidas de velocidades de reações de transferência de
elétrons dependente da temperatura e engenharia de proteínas e de fragmentos de DNA
(ácido desoxirribonucléico) 54 modificados por incorporação de complexos inorgânicos. Dessa
forma, é conhecido que o acoplamento eletrônico pode determinar a velocidade de
transferência eletrônica entre os fragmentos terminais da molécula. Esse mesmo tipo de
interação mediada por ponte é reconhecido como um fator crítico na transferência de elétrons
a longas distâncias em muitas estruturas biológicas
55
na condução eletrônica e/ou transporte
de carga por meio de camadas moleculares 56.
Yemini e colaboradores
57
, estudaram as propriedades eletroquímicas dos NT-FF
depositados sobre a superfície de um eletrodo de grafite (versus eletrodo de calomelano
saturado, ECS) por voltametria cíclica e técnicas amperométricas. Os resultados demonstram
que a presença dos NT-FF melhora significativamente a resposta eletroquímica do eletrodo.
Como não foi observada alteração significativa no pico da corrente após o potencial ser varrido
de -0,1 a 0,4 V em uma velocidade de 50 mV s-1 por 50 ciclos, os autores concluíram que os NTFF estavam bem aderidos na superfície do eletrodo. Os experimentos de cronoamperometrtia
demonstraram que o eletrodo modificado apresentou sinal significativamente maior (cerca de
2,5 vezes) quando comparado com o eletrodo não-modificados.
| 39
Em outro trabalho o grupo de Yemini e colaboradores 58 projetaram e construíram um
biossensor baseado na imobilização de NT-FF funcionalizados com moléculas de tiol sobre a
superfície de um eletrodo de ouro. Glicose oxidase (GOx) e álcool desidrogenase (ADH) foram
utilizados como modelos de sistemas enzimáticos para demonstrar as vantagens deste sensor.
De acordo com os autores o biossensor apresentou uma boa sensibilidade para peróxido de
hidrogênio e NADH (-nicotinamide adenine dinucleotide), com um tempo de detecção curto e
elevada densidade de corrente.
Cipriano e colaboradores
26a
construíram um biossensor utilizando NT-FF
funcionalizados com Microperoxidase-11 (MP11) sobre a superfície de um eletrodo de ITO,
utilizando a técnica de LBL. Os autores mostraram que existe intercalação entre MP11 e os NTFF por meio da técnica de difratometria de raios-X e técnicas espectroscópicas. A sensibilidade
do eletrodo na detecção de H2O2 foi estimada em 9,43 µA cm2 mmol L1, e o limite de
detecção foi de 6 µmol L1 na relação sinal-ruído de 3. E por fim, concluíram que esses valores
são expressivos quando comparados com outros sistemas que envolvem a imobilização de
MP11 funcionalizados com nanotubos de carbono, nanopartículas de ouro em superfícies de
eletrodos.
Recentemente Banerjee colaboradores 51b propuseram que nanotubos de bis(N-αamido
glicoglicina)1,7-dicarboxilatoheptano,
poderiam
ser
modificados
com
2-
mercaptoetilamina (monocamada de tiol, SAM) para que fossem capazes de se ligar
covalentemente à um substrato de ouro, conforme apresentado na FIG.16. De acordo com os
autores, os resultados obtidos sugerem que é possível modificar eletrodos de ouro em
posições específicas (com o auxílio do microscópio de força atômica, do inglês atomic force
microscopy, AFM), funcionalizado os nanotubos de peptídeos.
| 40
Figura 16:
Esquema mostrando o processo de auto-montagem do nanotubo peptídico
modificado com tiol. A) substrato de ouro com monocamada de tiol. B) remoção de parte da
monocamada de tiol pela ponta do AFM. C) imobilização em posição específica do nanotubo
de peptídeo modificado com tiol 51b.
Park e Ryu 59 estudaram a formação de um core-shell utilizando os nanotubos de
FF e PANI. Neste trabalho, os autores utilizaram a metodologia de preparação na fase sólidavapor para a formação de nanofios de peptídeos (NF-FF) orientados verticalmente. Esses NF-FF
foram modificados quimicamente utilizando uma solução polimerizante de persulfato de
amônio, com anilina em meio ácido para assim gerar a “casca” polimérica, conforme
apresentado na FIG.17.
| 41
Figura 17:
A) MEV e b) Microscopia eletrônica de transmissão (MET), apresentando
imagens do compósito de nanofio/PANI. As setas pontilhadas indicam a presença de PANI na
imagem e as setas sólidas o núcleo formado pelo nanomaterial peptídico 59.
Porém, neste trabalho os autores não deixam claro qual a influência do vapor de
anilina nos processos de auto-organização das nanoestruturas. Tão pouco é mencionado no
artigo a estrutura do polímero sintetizado durante o processo de funcionalização. Também
não foi estudada a estabilidade eletroquímica do filme formado. E ainda, de acordo com os
autores a função do vapor de anilina é somente o de orientar verticalmente a formação dos
NF-FF, no entanto, conforme será detalhado no item “Análise e Discussão dos Resultados”, ao
reproduzir a metodologia adotada pelos autores, não foi possível observar a formação dos NFFF orientados verticalmente. Diante disso, este trabalho pretende estudar primeiramente se
existe interação entre as nanoestruturas peptídicas e a PANI. Avaliar a influência dos
parâmetros: solvente, concentração da solução precursora do peptídeo FF, e tempo de
exposição ao solvente nos processos de auto-organização das nanoestruturas peptídicas. Uma
vez estabelecidas as melhores condições para construção do filme, estudar a influência do
vapor de anilina nas propriedades eletrônicas do peptídeo FF.
| 42
Capítulo 22.1.
Objetivos
Objetivos Gerais
 Funcionalizar química e eletroquimicamente as nanoestruturas peptídicas com PANI e
determinar estruturalmente qual PANI foi sintetizada.
2.2.
Objetivos específicos
 Verificar se existe interação entre as nanoestruturas do peptídeo FF e a PANI;
 Analisar o mecanismo de auto-organização das nanoestruturas peptídicas, controlar e
orientar sua formação sobre os diversos tipos de substratos;
 Entender como os parâmetros: solvente, concentração da solução precursora do
filme amorfo e tempo de exposição ao vapor do solvente utilizado influenciam no
processo de nanoestruturação, orientação e na nanoestrutura, do peptídeo Ldifenilalanina (FF), utilizando a metodologia de nanoestruturação na fase sólidavapor;
 Funcionalizar as nanoestruturas do peptídeo FF com um polímero condutor (PANI) de
modo a alterar suas propriedades eletrônicas.
| 43
Capítulo 33.1.
Técnicas de Caracterização
Aspectos Teóricos da Ressonância de Plásmon de Superfície
(SPR).
O plásmon de superfície (PS) é uma onda eletromagnética longitudinal que se
propaga na interface entre dois meios contendo constantes dielétricas distintas, como um
metal e um dielétrico. Os PSs são criados quando a energia da luz p-polarizada provoca uma
oscilação na densidade de elétrons livres presentes no filme metálico. O metal mais utilizado é
o ouro, no entanto outros metais também podem ser utilizados como a prata, o cobre e o
alumínio. Os PSs possuem intensidade máxima na interface e decaem exponencialmente
conforme se distanciam da interface 60. Foram desenvolvidos diferentes sistemas para explicar
a excitação do plásmon de superfície, como as configurações por grades de difração e de
Kretschmann.
A configuração baseada na reflectância total atenuada, desenvolvida por
Kretschmann, é a mais utilizada na maior parte dos instrumentos de SPR, pois geralmente
apresentam maior sensibilidade e resolução em relação à outra configuração 61. Nos sistemas
que operam na configuração Kretschmann, quando um feixe de luz monocromático se
propaga em um meio óptico denso, como o prisma, e alcança uma interface entre este meio e
um meio de densidade óptica menor, por exemplo, o ar, a luz é totalmente refletida na
interface e propaga de volta ao meio contendo uma densidade óptica maior. Embora o feixe
de luz seja completamente refletido, uma fração de onda incidente penetra no meio menos
denso e se estende até o ambiente gerando uma onda evanescente. Se o prisma é recoberto
com uma camada de um condutor adequado, como um metal, com uma espessura adequada,
o componente p-polarizado do campo evanescente pode penetrar na camada metálica e
excitar as ondas eletromagnéticas de plasma de superfície 62, como apresentado na FIG. 18.
| 44
Figura 18:
Esquema da configuração de Kretschmann baseada na reflexão total
atenuada, onde E é o campo evanescente, Kx o vetor da luz incidente e Ksp o vetor de plasma
de superfície 63.
Em um determinado ângulo de incidência do feixe de luz, quando a constante de
propagação da onda de SP é igual ao vetor da luz incidente (Ksp = Kx), ocorre o acoplamento
dos elétrons oscilantes do filme metálico promovendo a excitação ressonante do plasma de
superfície. Como consequência, ocorre uma perda da energia da luz incidente para o filme
metálico, resultando na diminuição da intensidade da luz refletida.
O vetor de onda de PS está diretamente relacionado ao índice de refração do
meio sobre o filme metálico. Se este meio sofre algum a alteração, pela adsorção de uma
camada protéica, por exemplo, uma mudança no ângulo de incidência é requerida para que a
excitação ressonante do plasma de superfície ocorra
63
. Desta forma, é possível aplicar o
fenômeno da ressonância de plasma de superfície ao monitoramento de alterações na
superfície, mediante um acompanhamento da reflectividade da luz incidente ou do ângulo de
ressonância pelo tempo. Neste contexto, é possível obter informações sobre a velocidade e
extensão da adsorção possibilitando determinação de propriedades dielétricas, constantes
cinéticas, como as de associação e dissociação, bem como as constantes de afinidade em
interações específicas 64.
Uma configuração esquemática de um instrumento típico de SPR é apresentada
na FIG. 19. A superfície, neste caso, foi modificada para monitorar os processos de
adsorção/interação.
| 45
Figura 19:
Representação esquemática de um instrumento típico de SPR. Em destaque
uma curva mostrando a diferença no ângulo de incidência quando há interação de um ligante
com a camada imobilizada na superfície, sendo (I) sem interação e (II) após interação, e uma
curva de associação, na qual há uma um aumento do ângulo de incidência com o tempo63.
Um esquema de um perfil típico de adsorção de SPR sobre uma superfície
metálica coberta com polímero é mostrado na FIG. 20. Inicialmente, a superfície é preparada
com uma solução tampão adequada para gerar uma linha base sob a curva SPR. Uma vez que a
proteína, molécula utilizada na ilustração entra em contato com a superfície, ocorre uma
adsorção rápida, a qual resulta em um aumento no ângulo de ressonância do SPR, seguido por
um patamar no perfil de adsorção, devido à saturação da superfície com a proteína e/ou
porque o processo atingiu o equilíbrio. Finalmente, a solução protéica é trocada pelo tampão,
que remove somente o material fracamente ligado. A diferença entre o ângulo de ressonância
inicial e o final fornece uma indicação sobre a extensão da adsorção. O gradiente positivo da
curva de adsorção do SPR determina a velocidade de adsorção
65
. Além da avaliação de
afinidades e interações moleculares, a técnica de SPR pode, ainda, ser utilizada para análises
quantitativas, estudos de especificidade, análises cinéticas, e para comparação de modelos de
ligação de diferentes espécies.
| 46
Figura 20:
Um exemplo esquemático de um perfil de adsorção do SPR para adsorção de
uma proteína em um filme polimérico. A mudança no valor do ângulo do SPR em função do
tempo é usada para monitorar as cinéticas de adsorção. Onde IR – intensidade de radiação
refletida (reflexibilidade) e mDA – miligraus de ângulo 63.
3.2.
Técnicas espectroscópicas utilizadas nas caracterizações.
3.2.1. Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta-visível (UV-VIS).
Uma das características mais importantes da PANI é a sua variação de cor após a
mudança do estado de oxidação. Por esse motivo, uma das técnicas mais utilizada para se
caracterizar a PANI é a espectroscopia eletrônica no UV-VIS. Na FIG.21 são apresentados os
espectros UV-VIS de diferentes formas da PANI. A forma totalmente reduzida, a base
leucoesmeraldina (BL), apresenta apenas uma banda de absorção em 343 nm atribuída à
transição -*, pois apresenta somente segmentos benzênicos. A base esmeraldina, (BE),
também apresenta uma banda em 330 nm devido à transição -* e ainda uma banda em 637
nm atribuída à transferência de carga dos anéis benzênicos para os quinônicos. A forma
totalmente oxidada, base pernigranilina (BP), apresenta além da absorção em 330 nm, uma
banda em 283 nm e outra em 530 nm. O sal esmeraldina(SE) possui uma banda de absorção
em 380 nm atribuída a transição -* e a banda em 420 nm devido aos segmentos polarônicos
que é característico dos portadores de carga livre
66
. Devido ao fato de cada uma dessas
formas apresentarem um espectro de absorção característico, essa técnica é muito empregada
na caracterização da PANI.
| 47
Figura 21:
UV-VIS da PANI em diferentes estados de oxidação 41a, 67.
3.2.2. Espectroscopia vibracional na região do Infravermelho com Transformada de
Fourier (FT-IR).
Em princípio, a espectroscopia no infravermelho baseia-se no movimento
vibratório (ou oscilações) presente nas moléculas. Na análise por infravermelho a amostra é
irradiada com comprimentos de onda nesta faixa, e o detector mede a quantidade de radiação
absorvida pela amostra. Uma vez que o comprimento de onda da radiação infravermelha é
muito maior do que o tamanho da maioria das moléculas, o campo elétrico do fóton nas
vizinhanças de uma molécula pode ser considerado uniforme em relação à molécula como um
todo.
O campo elétrico do fóton exerce forças sobre as cargas moleculares, e, por
definição, forças exercidas sobre cargas opostas ocorrerão em direções também opostas. O
campo elétrico oscilante do fóton exercerá forças tendendo a alterar a distância entre os
centros de cargas de prótons e elétrons, desta forma, induzindo o momento dipolar da
molécula a oscilar com a mesma frequência do fóton. Em determinadas frequências uma
| 48
oscilação forçada do momento dipolar tenderá a ativar uma vibração nuclear. Estas são
frequências de vibrações moleculares nas quais a vibração dos núcleos causa uma modificação
do momento dipolar. Quanto maior for a mudança do momento dipolar durante a vibração,
mais facilmente o campo elétrico do fóton poderá ativar a vibração. Esta situação pode ser
resumida na seguinte regra de seleção: para poder absorver radiação infravermelha, uma
vibração molecular deve causar mudança do momento dipolar da molécula.
Furukawa e colaboradores realizaram a atribuição de bandas Raman e IR
características das formas SE, BE e BL sintetizadas eletroquimicamente. Para a atribuição
vibracional foram utilizadas polianilinas substituídas com 15N, deuteradas e compostos modelo
derivados do N, N’-difenil-1,4-benzenodiamina
41a, 67
. A deuteração da PANI em diferentes
posições da cadeia polimérica permitiu a atribuição das bandas associadas ao N-H e C-H nos
anéis quinônicos e benzênicos 68. Um estudo vibracional utilizando uma série de oligômeros da
PANI em diferentes estados de oxidação foi realizado por Boyer e colaboradores que permitiu
a atribuição dos modos vibracionais característicos da BL, BE e BP
69,70
. Por meio do uso de
espectroscopia Raman ressonante foi possível observar a conversão de segmentos quinônicos
em radicais cátions após o processo de dopagem secundária 71. Um resumo com as principais
bandas, na região do infravermelho, para a polianilina nos seus diferentes estados de oxidação
é apresentada na TAB.2.
Tabela 2:
Atribuição das bandas vibracionais (cm1) observadas nos espectros FT-IR para
BL, SE, BE e BP 49.
Base
Leucoesmeraldina
Sal
Esmeraldina
811
1107/1167
1132/1246
1109/1178
1283
11931
Base
Esmeraldina
Base
Pernigranilina
824
844
1180/1172
1216
1211
1378
1494
1488
1590
1570
1338
1497
1497
1477
1558
1614
1608
Atribuição
C-H
C-H(SQ)
C-H(B)
C-N(B)
C-H + C-N
C-N(SQ)
C-C(Q)
C-C + C-H (B)
Anel quinônico
N-H
C-C(Q)
+ C-H
C-C (Q)
(SQ)(B)
C-C
| 49
3.3.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).
O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um equipamento capaz de
produzir imagens de alta ampliação (até 300.000 x) e resolução. As imagens fornecidas pelo
MEV possuem um caráter virtual, pois o que é visualizado no monitor é a trans-codificação da
energia emitida pelos elétrons, ao contrário da radiação de luz a qual estamos habitualmente
acostumados. O MEV é uma ferramenta padrão para inspeção e análise utilizada em diversas
áreas de pesquisa desde a área de materiais até a área biológica. Na indústria de
semicondutores, em medidas de caracterização para a microeletrônica, existe um conjunto de
métodos que oferecem alta resolução e alta precisão. Estes métodos são baseados
fundamentalmente na interação da matéria com os elétrons incidentes e a emissão de ondas
ou partículas (fótons, elétrons, íons, átomos, nêutrons, fônons) 72.
No MEV a imagem é gerada quando um feixe de elétrons de 2 a 3 nm varre a
superfície da amostra de modo a gerar diferentes sinais, como elétrons secundários, elétrons
retroespalhados, raios-X, elétrons Auger e luz visível, os quais são detectados por um sensor.
Os elétrons empregados na construção da imagem são os elétrons secundários. Esses elétrons
possuem baixa energia (< 50 eV)
72-73
. Tornando-se um instrumento imprescindível nas mais
diversas áreas: eletrônica, geologia, ciência e engenharia dos materiais, ciências da vida, entre
outras. Em particular, no desenvolvimento de novos materiais, nas fases de síntese e
caracterização, pois por meio da análise e interpretação da imagem gerada consegue-se
predizer propriedades importantes de uma determinada amostra como: morfologia, diâmetro,
espessura, defeitos, orientação das fases e em alguns casos composição química. A imagem
gerada pelo MEV, geralmente é bastante clara e fácil de ser compreendida, no entanto é
preciso que se tenha noção que existem muitos parâmetros que podem ser variados para
melhorar a qualidade desta imagem.
Dentro deste contexto, os sinais de maior interesse para a formação da imagem
são os elétrons secundários e os retroespalhados. Conforme o feixe de elétrons primários
varre a superfície da amostra, estes sinais sofrem alterações de acordo com as variações da
superfície. Os elétrons secundários fornecem imagem de topografia da superfície da amostra,
e são os responsáveis pela obtenção das imagens de alta resolução, já os retroespalhados
fornecem imagem característica de variação de composição72-73.
Entretanto, para uma correta interpretação e necessário também levar em conta
a presença dos elétrons do próprio átomo. O elétron do feixe ao penetrar no átomo irá
interagir também com os elétrons ao redor do átomo resultando principalmente em
| 50
espalhamento inelástico do elétron e transferência de energia para o átomo. Como resultado
destas interações, elétrons das várias camadas do átomo poderão ser liberados e\ou
excitados. A maioria dos elétrons das camadas externas do átomo sofre este tipo de
interações inelásticas, pois estes elétrons requerem pouca energia para serem removidos.
Estes elétrons irão se mover pelo material e também poderão sofrer interações inelásticas.
Além disso, o átomo excitado, aquele do qual foi retirado um elétron, poderá captar um
elétron que esteja se movendo na amostra, resultante de outras excitações ou elétrons
provenientes do aterramento da amostra. Estes elétrons são elétrons pouco energéticos e
somente aqueles que se encontram muito próximos da superfície e que possuem energia
suficiente para ultrapassar a barreira superficial é que conseguem escapar do material 72-73.
A profundidade de penetração dos elétrons depende da composição do material a
qual influencia tanto o espalhamento elástico quanto o inelástico. Em particular o
espalhamento inelástico, que causa a redução da velocidade, é mais intenso para materiais
com elevado Z do que para materiais com baixo Z. Isso significa que apesar do espalhamento
elástico aumentar para materiais com elevado Z, a profundidade de penetração é menor do
que para baixo número atômico. Com base em modelos de probabilidade de ocorrência de
espalhamentos elásticos e inelásticos, foi criada a simulação de Monte-Carlo
72-73
, onde são
definidos os ângulos de espalhamento e transferência de energia. Por meio desta simulação as
direções aleatórias dos elétrons no interior da amostra são calculadas e estatisticamente, os
caminhos mais prováveis obtidos, resultando numa boa aproximação do volume de
interações.
A forma do volume de interação também é influenciada pela estrutura interna do
material. Por exemplo, num material com estrutura cristalina, os elétrons penetram por
determinados canais preferenciais, sem muita perda de sua energia interna. Se a direção
destes canais for a mesma dos elétrons primários, haverá um aumento na profundidade de
penetração.
Como resultado das interações elásticas e inelásticas o elétron pode se tornar um
elétron retroespalhado (ERE), com energia máxima igual a energia do elétron primário (neste
caso ocorreu somente uma única colisão). Tem-se também a ocorrência de ionização, com a
produção de elétrons em todo o volume de interação. Os elétrons produzidos deixam o
material com uma energia média de 2 a 5 eV. Esses elétrons são chamados de elétrons
secundários (por definição os elétrons que são emitidos da amostra com energia inferior a 50
eV são chamados de elétrons secundários) e são provenientes de uma região de muito pouca
| 51
profundidade, cerca de 1 nm para os metais e 10 nm para o carbono72-73. É importante
observar que os elétrons retroespalhados produzidos em regiões mais profundas na amostra,
também têm energia suficiente para originar elétrons secundários quando estão voltando para
a superfície. Isto significa que os elétrons secundários (ES) podem também ser gerados fora do
volume de interação do elétron primário.
Neste trabalho, as imagens de MEV foram obtidas utilizando o sinal de ES e
mecanismos de contrastes, que ocorrem quando um feixe de elétrons primários varre a
superfície da amostra em análise ponto a ponto. De maneira geral, as variações de contraste
ponto a ponto ocorrem devido à variação do número de elétrons que são emitidos da amostra
e que atingem o detector.
3.4.
Voltametria Cíclica.
A técnica de voltametria cíclica baseia-se em fenômenos de interface que
ocorrem entre a superfície de um eletrodo condutor (eletrodo de trabalho) e o seio da
solução. No experimento, mede-se a corrente elétrica resultante quando um potencial
eletroquímico é aplicado a um sistema constituído por três eletrodos (trabalho, referência e
contra eletrodo) que estão imersos em uma solução eletrolítica74.
O potencial aplicado no eletrodo de trabalho atua como força motriz na reação
eletroquímica. É o controle do potencial que possibilita que o monômero presente no meio
reacional seja oxidado ou reduzido na superfície do eletrodo de trabalho. O valor deste
potencial é mudado continuamente como função linear do tempo e a taxa de variação do
potencial ao longo do tempo é denominada velocidade de varredura de potencial. Um
intervalo de potencial é escolhido em uma direção, revertido num certo ponto e terminado no
potencial final74.
A eletroatividade da PANI pode ser estudada por voltametria cíclica, seu
voltamograma característico apresenta dois pares redox na faixa de 200 mV a 1000 mV (vs
ECS) conforme ilustrado na FIG.22. O primeiro pico na extremidade catódica corresponde à
oxidação da leucoesmeraldina ao sal esmeraldina, o segundo pico corresponde a oxidação da
base esmeraldina à pernigranilina (o estado totalmente oxidado da PANI), cada processo redox
é acompanhado por uma mudança de cor 75.
| 52
Figura 22:
Voltamograma característico da PANI com as respectivas mudanças de cor, de
acordo com suas respectivas reações redox 75.
| 53
Capítulo 44.1.
Metodologia Experimental
Materiais e Equipamentos.
4.1.1. Reagentes.
Todos os reagentes usados nos experimentos são de pureza analítica (P.A).
Persulfato de amônio e ácido sulfúrico (Synth ), anilina, L-difenilalanina, ácido 4mercaptobenzóico,
mercaptopiridina,
1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol
(HFP),
base
esmeraldina (Massa Molar Média de aproximadamente 65,000 g mol1) e fosfato de potássio
foram obtidos da Aldrich.
4.1.2. Equipamentos.
As medidas ópticas do ângulo de ressonância de plásmon de superfície foram
realizadas em um equipamento ESPRIT da AUTOLAB (Eco Chemie) de duplo canal e
monitoramento contínuo do sinal. O equipamento possui como fonte de luz um laser com
comprimento de onda de 670 nm. Os discos de ouro utilizados foram obtidos pela Xantec e
possuem 50 nm de espessura de ouro.
Os espectros na região do UV-Vis foram obtidos em um equipamento: modelo
Cary50 da Varian que fica no Laboratório de Eletroquímica e Materiais Nanoestruturados
(LEMN) da Universidade Federal do ABC (UFABC). Os espectros na região do infravermelho
foram obtidos em um equipamento: modelo 660 da Varian que fica na Central Multiusuário da
UFABC. Os espectros Raman foram obtidos em um microscópio Raman Renishaw  (system
3000) acoplado a um detector CCD que fica no Laboratório de Espectroscopia Molecular (LEM)
do Instituto de Química da Universidade de São Paulo. A focalização do laser na amostra e a
coleta da radiação espalhada foi realizada por meio de um microscópio metalúrgico Olympus 
modelo BH2-UMA. Foram utilizadas linhas de excitação na região do visível em 632,8 nm com
um laser de He-Ne (pectra Physics, modelo 127). A potência do laser foi mantida abaixo de
0,7 mW para evitar a degradação das amostras.
As medidas eletroquímicas foram realizadas no bipotensiostato Autolab PGSTAT
302N do LEMN. A célula eletroquímica utilizou como eletrodo de trabalho o ouro (7 mm2); a
platina (fio de platina) como contra eletrodo e o eletrodo de calomelano saturado como
eletrodo de referência.
| 54
As imagens foram obtidas com o auxílio de Microscópio Eletrônico de Varredura
de baixo e alto Vácuo no Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS) sob a proposta de
pesquisa (SEM-LV 9735).
4.2.
Procedimentos Experimentais.
4.2.1. Metodologia adotada na preparação das amostras para o ensaio de SPRadsorções.
4.2.1.1.
Limpeza dos discos de ouro.
Os discos de ouro foram imersos em “solução piranha” (30% de H2O2 e70% H2SO4)
por cinco minutos e posteriormente, foram lavados abundantemente em água ultrapura e
secos com N2(nitrogênio). Este procedimento além de garantir a limpeza do substrato
promove a ativação dos sítios do Au.
4.2.1.2.
Preparo das monocamadas auto-organizadas (SAM) de ácido 4-
mercaptobenzóico (HSC6H4CO2H).
Foi preparada uma solução 100 mmol L1 do ácido 4-mercaptobenzóico em álcool
etílico, 20 mL dessa solução foram transferidos para uma placa de Petri, os discos de Au
ficaram imersos nessa solução por 3 horas.
4.2.1.3.
Dispersão de Polianilina
A dispersão de PANI foi preparada com 0,005 g base esmeraldina em 50 mL de
Dimetilsulfóxido e 50 mL de H2SO4 0,5 mol L1, essa dispersão foi mantida em agitação por 12
horas. A “solução” (de cor verde) resultante foi filtrada antes de sua utilização.
4.2.1.4.
Solução de NT-FF em pH 5,00(utilizando a metodologia na fase
líquida).
Foi preparada uma solução estoque de FF em 1,1,1,3,3,3,-hexafluoro-2-propanol
(HFP) na concentração de 0,32 mol L1. Uma alíquota dessa solução foi diluída em água
ultrapura até a concentração de 16 mmol L1
| 55
4.2.1.5.
Solução de NT-FF em pH 12,00(utilizando a metodologia na fase
líquida).
Uma alíquota da solução estoque preparada no item 3.3.1.4 foi diluída em água
cujo pH foi ajustado previamente para 12 (utilizando uma solução de NaOH 0,1mol L1), até
concentração de 16 mmol L1.
4.2.1.6.
Montagem do ensaio.
Na superfície do disco de ouro na presença e ausência de SAM foram realizadas 3
injeções (PANI/NT-FF/PANI) de acordo com a FIG. 23, as adsorções foram monitoradas por 5
min, depois de cada injeção, a superfície do disco foi lavada para retirar as moléculas
fracamente adsorvidas.
Figura 23:
Ilustração esquemática do processo de adsorção dos NT-FF no filme de PANI.
4.2.2. Metodologia adotada na preparação das amostras – para calcular as
constantes termodinâmicas.
4.2.2.1.
Limpeza dos discos de ouro.
Os discos de ouro foram limpos de acordo com o procedimento citado no item
3.3.1.1.
| 56
4.2.2.2.
Dispersão de Polianilina.
A dispersão de PANI foi preparada com 0,005 g base esmeraldina em 50 mL de
Dimetilsulfóxido e 50 mL de H2SO4 0,5 mol L1, essa dispersão foi mantida em agitação por 12
horas. A “solução” (de cor verde) resultante foi filtrada antes de sua utilização.
4.2.2.3.
Soluções de NT-FF (utilizando a metodologia na fase líquida).:
O peptídeo L-difenilalanina foi dissovido em HFP até concentração de 0,32 mol
L1. Uma alíquota dessa solução foi diluída em água ultrapura até as concentrações de 0,32
mmol L1; 1,6 mmol L1; 2,4 mmol L1; 3,2 mmol L1 e 6,4 mmol L1
4.2.2.4.
Montagem do ensaio.
Na superfície do disco de ouro foi adsorvida uma monocamada de PANI, sobre
essa monocamada foi injetada uma solução de NT-FF na concentração de 0,32 mmol L1. Sua
adsorção foi monitorada por 5 minutos. Este procedimento foi realizado para as
concentrações 1,6 mmol L1; 2,4 mmol L1; 3,2 mmol L1 e mmol L1.
4.2.3. Metodologia utilizada para calcular as constantes cinéticas.
Existem três métodos que são utilizados para calcular as constantes cinéticas 76, a
partir dos dados gerados pelo SPR: Linearização; Ajuste da curva com integração analítica;
Ajuste da curva com integração numérica. A análise por linearização é adequada para estudar
as interações bimoleculares simples.
O método de Linearização foi utilizado para estimar a relação entre as constantes
de associação e dissociação, quando o analito (NT-FF) se liga a um material (PANI) em uma
interação bimolecular simples 65. A constante de associação (ka) é calculada utilizando várias
concentrações diferentes do analito (NT-FF). Se durante a fase de dissociação, quando NT-FF
não estão mais presente, a formação do complexo [PANI/NT-FF] assumir um decaimento
exponencial, a cinética será de primeira ordem. Logo, a fase de dissociação também poderá
ser linearizada por meio da representação gráfica do log da variação angular (R) em função do
tempo (t) e a determinação da constante de dissociação (kd) será dada pela intersecção da
reta.
Assim, a interação bimolecular para o sistema PANI/NT-FF pode ser representada
conforme descrito na equação 1 76:
| 57
A relação entre as constantes é descrita na equação 2:

A variação angular (
) do equipamento de SPR é proporcional a formação do
complexo [ AN N - ]. O máximo de variação (
ocupados, assim (
máx)
máx)
é obtido quando todos os sítios são
é proporcinal a concentração inicial de NT-FF. Desta forma, a
equação 2 pode ser reescrita como:
A representação gráfica de d
(ks) igual a
/dt em função de
, possui intersecção
. Para obter o valor de ks, foi realizada uma regressão linear no
gráfico. Os valores de ks foram plotados em função das concentrações iniciais de NT-FF
utilizadas, a constante de associação foi calculada utilizando o coeficiente angular da reta.
Durante a fase de associação [PANI] = 0, substituindo este dado na equação 3 temos que:
Integrando a equação 4 obtemos 76:
A constante cinética de associação (ka) foi calculada a partir do coeficiente
angular da reta; e a constante de dissociação (kd) foi obtida pela interseção da reta. A partir de
ka e kd, pode-se calcular a constante de equilíbrio (K) para o sistema PANI/NT-FF, pois:
K
ka
kd
[8]
Com o valor da constante de equilíbrio é possível calcular a variação de energia
livre:
Gads  RT ln K
onde R = 0,0019872 kcal Mol1 K1 e T = 298K
[9]
| 58
4.2.4. Metodologia utilizada na obtenção de nanoestruturas peptídicas com a
metodologia na fase sólida-vapor.
4.2.4.1.
Limpeza do substrato de Si (não dopado) e ITO.
As placas de Si ou ITO utilizado nos ensaios possuíam uma área de 1 cm2. A
limpeza foi realizada por meio da imersão dos substratos nos solventes: diclorometano,
metanol, álcool etílico e água ultrapura, respectivamente, por 10 minutos em banho
ultrassom. A secagem foi realizada com N2.
4.2.4.2.
Filme amorfo do FF.
Uma alíquota de 10 µL de uma solução recém-preparada do FF solubilizada em
HFP nas concentrações de 16 mmol L1 e 160 mmol L1 foi depositada sobre dois substratos de
Si, sendo os mesmos armazenados em dessecador até montagem do ensaio.
4.2.4.3.
Montagem do ensaio:
O sistema consistia em preparar dois ambientes distintos, um com água e outro
com anilina, para isso uma alíquota de 10 mL de água ultrapura e 10 mL de anilina destilada
foram colocadas em duas placas de petri, para evitar o contato com os solventes, os substratos
já com o filme amorfo do FF foram colocados em uma placa de petri menor sem a tampa
dentro da placa de petri maior, de modo que o substrato estivesse exposto somente ao vapor
do solvente. Essa placa de petri foi fechada. Para evitar qualquer contato com outra atmosfera
que não fosse a existente dentro da placa, optou-se por vedá-la com papel alumínio antes de
colocá-la na mufla a 98 °C por 12 horas de acordo com procedimento descrito na literatura 20,
59, 77
e FiG. 24.
| 59
A
B
Figura 24:
Ilustração esquemática do processo de obtenção das nanoestruturas
utilizando a metodologia na fase sólida-vapor em (A) vapor de água e (B) vapor de anilina.
4.2.4.4.
Polimerização Química dos substratos crescidos em vapor de anilina.
O substrato com as nanoestruturas crescidas em vapor de anilina foram imersos
em uma “solução polimerizante” que continha anilina 320 mmol L1 , H2SO4 0,50 mol L1 e
persulfato de amônio 80 mmol L1 por 20 horas, sem agitação. Transcorridos este período os
substratos foram retirados da solução polimerizante e imersos em solução de H 2SO4 0,50 mol
L1 (FIG.25), para retirar a polianilina ou a anilina que poderia, eventualmente, estar
depositada sobre o substrato.
Ausência de umidade
Em temperatura ambiente
Peptídeo FF
Filme amorfo
substrato
Polimerização
Vapor de
anilina a 98 °C
química
Nanofios peptídicos
NF-FF
Polianilina (PANI)
Figura 25:
Ilustração esquemática do processo de crescimento das nanoestruturas do FF
e polimerização química do substrato crescido em vapor de anilina59 .
| 60
4.2.4.5.
Polimerização eletroquímica dos substratos de ITO crescidos em vapor
de anilina.
Foram realizadas várias tentativas de polimerização eletroquímica, no entanto, o
filme de nanoestruturas peptídicas depositado sobre os substratos de ITO, lixívia na presença
do H2SO4 0,5 mol L1 (solução utilizada como eletrólito de suporte e meio necessário para
polimerizar a PANI na forma de sal esmeraldina), conforme será relatado no item 3.3.5..
4.2.5. Metodologia utilizada na preparação dos eletrodos de ITO.
4.2.5.1.
Limpeza do substrato e preparo do Filme amorfo.
A metodologia utilizada na limpeza do substrato assim como a preparação dos
filmes foram as mesmas utilizadas no item 3.3.4.1 e 3.3.4.2, respectivamente.
4.2.5.2.
Deposição eletroquímica da PANI.
A eletropolimerização da anilina foi realizada
de acordo com os seguintes
parâmetros:
Velocidade de varredura: 25 mV s1;
Potencial aplicado: 200 mV a 1000 mV;
Número de ciclos para formação do filme: 5
Concentração da anilina na solução eletrolítica: 0,2 mol L1;
Eletrodos utilizados: ITO (eletrodo de trabalho); platina (contra-eletrodo); ECS
(eletrodo de referência);
Eletrólito de suporte: H2SO4 0,5 mol L 1.
4.2.5.3.
Montagem do ensaio.
Uma alíquota de 10 µL de uma solução recém-preparada do FF solubilizado em
HFP na concentração de 160 mmol L1 foi depositada sobre o substrato de ITO, que já continha
o filme de PANI que foi construído conforme descrito no item 3.3.5.2. Esse eletrodo foi
colocado dentro de uma placa de petri menor que por sua vez estava dentro de uma placa de
petri maior que continha 10 mL de anilina; a placa de petri maior foi fechada e em seguida
vedada com papel alumínio. E esse sistema foi mantido dentro de uma mufla a 98 °C por 12
horas.
| 61
4.2.6. Metodologia utilizada na preparação dos eletrodos de Au.
4.2.6.1.
Limpeza do eletrodo de Au
Nos eletrodos de ouro foram realizadas a limpeza física (que consistiu no atrito da
superfície do eletrodo de ouro sobre uma lixa, com movimentos circulares imitando o desenho
do número “8” com solução de com alumina) e posterior limpeza química, utilizando uma
célula eletroquímica (com o eletrodo de ouro como eletrodo de trabalho, a platina como
contra-eletrodo e o ECS como referência) em solução de H2SO4 0,5 mol L1, aplicando um
potencial de 200 mV a 1600 mV a uma velocidade de varredura de 1000 mV s1 por 100
ciclos. A segunda etapa da limpeza eletroquímica consistiu em diminuir a velocidade de
varredura para 100 mV s1 por 10 ciclos e verificar se o perfil eletroquímico do eletrodo de
ouro estava de acordo com o relatado na literatura. No caso de não estar, todo o processo foi
repetido (limpeza física e química) até que conseguíssemos visualizar o perfil eletroquímico do
Au com seus respectivos pares redox.
4.2.6.2.
Preparo da SAM.
Foi preparada uma solução 100 mmol L 1 de 4-mercaptopiridina em álcool etílico,
20 mL dessa solução foram transferidos para uma placa de Petri. Os eletrodos de Au ficaram
imersos nessa solução por 12 horas.
4.2.6.3.
Filme amorfo do FF.
Uma alíquota de 10 µL de uma solução recém-preparada do FF solubilizado em
HFP na concentração de 160 mmol L 1 foram depositadas sobre os eletrodo de Au, sendo os
mesmos armazenados em dessecador até montagem do ensaio.
4.2.6.4.
Montagem do ensaio.
O ensaio foi montado seguindo o procedimento adotado no item 3.3.4.3.,
substituindo os substratos de Si pelos eletrodos de Au.
| 62
Capítulo 5-
Análise e Discussão dos
Resultados
A análise e discussão dos resultados foram organizadas em função da ordem
cronológica com que os experimentos foram realizados. Portanto, a primeira etapa do
trabalho consistiu em verificar se existia interação entre a PANI e as nanoestruturas
peptídicas utilizando a técnica de SPR; a segunda etapa consistiu na síntese dos filmes finos
funcionalizados com PANI utilizando a metodologia de obtenção de nanoestruturas na fase
sólida-vapor, as caracterizações foram realizadas utilizando técnicas microscópicas,
espectroscópicas e por voltametria cíclica.
5.1.
Estudo das interações interfaciais entre a PANI e as
nanoestruturas peptídicas.
5.1.1. Deposição das monocamadas.
Antes de dar início aos processos de síntese e caracterização das nanoestruturas
peptídicas funcionalizadas com a polianilina, havia a necessidade de saber se existia interação
entre a PANI (na forma de sal esmeraldina, polímero catiônico) e os NT-FF. Conforme discutido
anteriormente, a técnica de SPR é uma ferramenta valiosa para investigar um número grande
de eventos dinâmicos. Sua diversidade permite análises interfaciais, de interações e/ou
afinidade moleculares e (bio)moleculares em diferentes camadas orgânicas formadas sobre
superfícies metálicas 63 . Além disso, a técnica de SPR permite a determinação de propriedades
dielétricas (índice de refração), espessura do filme, além de ser hábil para monitoramento de
processos interfaciais in situ como adsorção/dessorção, hidratação e desidratação 78.
No caso específico deste trabalho, foram realizados experimentos empregando a
técnica de SPR com a finalidade de avaliar primeiramente a extensão da adsorção da PANI
sobre a superfície de ouro modificado com SAM e sem SAM. A segunda etapa consistiu em
avaliar a extensão da adsorção de uma solução de NT-FF em dois pH´s diferentes (pH 5 e pH
12)sobre a superfície contendo a PANI. Na última etapa verificou-se a adsorção de uma última
camada de PANI sobre a superfície modificada com NT-FF em diferentes pH´s.
A FIG.26 mostra o resultado obtido para o disco de ouro sem a monocamada de
SAM.
| 63
Au/PANI/NT-FF pH12/PANI
1600
1400
G
B
F
 / mgrau
1200
1000
D
E
800
C
600
400

A
200
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tempo / s
Figura 26:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH12)/PANI no disco
de ouro na ausência de SAM.
A curva A se refere a linha base, obtida com o disco de ouro sem a SAM em água
ultrapura por 180 s. Nesse experimento, foram injetados 100 μL da dispersão de AN e a
adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva B). É possível verificar um aumento do ângulo de
ressonância, conforme a PANI se adsorve sobre o ouro. A curva C foi obtida após lavagem do
sistema com a água ultrapura, para a eliminação das moléculas fracamente ligadas, a
dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa, permanecem no ouro apenas as
moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre os ângulos obtidos nas curvas A e
C, nos fornece a extensão da adsorção da AN . Em seguida, foram injetados 100 μL da solução
de NT-FF (pH 12) e a adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva D). É possível verificar um
aumento do ângulo de ressonância, conforme os NT-FF (pH 12) se adsorve sobre a PANI. A
curva E foi obtida após lavagem do sistema com a água ultrapura, para a eliminação das
moléculas fracamente ligadas, e a dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa,
permanecem sobre a PANI apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença
entre os ângulos obtidos nas curvas C e E, nos fornece a extensão da adsorção dos NT-FF (pH
12). Prosseguiu-se com o ensaio e, foram injetados 100 μL da dispersão de AN e a adsorção
foi acompanhada por 1200 s (curva F). É possível verificar um aumento do ângulo de
ressonância, conforme a PANI se adsorve sobre os NT-FF (pH 12). A curva G foi obtida após
lavagem do sistema com a água ultrapura, para a eliminação das moléculas fracamente
| 64
ligadas, e a dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa, permanece sobre os NTFF (pH 12) apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre os ângulos
obtidos nas curvas E e G, nos fornece a extensão da adsorção da PANI.
A FIG. 27 apresenta os resultados obtidos quando foi utilizada a solução de NT-FF
em pH 5.
Au/PANI/NT-FF pH5
B
1000
C
800
 / mgrau
D
600
400

200
A
0
0
500
1000
1500
tempo / s
Figura 27:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH12)/PANI no disco
de ouro na ausência de SAM.
O sensorgrama apresentado na FIG. 27 mostra a linha base, obtida com o disco de
ouro sem a SAM em água ultrapura por 180 s (curva A). Em seguida, foram injetados 100 μL da
dispersão de PANI e a adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva B). É possível verificar um
aumento do ângulo de ressonância, conforme a PANI se adsorve sobre o ouro. A curva C foi
obtida após lavagem do sistema com a água ultrapura, para a eliminação das moléculas
fracamente ligadas, a dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa, permanecem
no ouro apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre os ângulos
obtidos nas curvas A e C, nos fornece a extensão da adsorção da PANI. Em seguida, foram
injetados 100 μL da solução de N -FF (pH 5) e a adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva
D). É possível verificar uma diminuição do ângulo de ressonância, conforme os NT-FF (pH 5)
interagem com a superfície de PANI, indicando que a solução de NT-FF esteja possivelmente
competindo com a dispersão de PANI para se ligar à superfície de ouro.
| 65
As FIGs. 28 e 29 mostram o resultado obtido para o ensaio em que o disco de
ouro foi modificado com a SAM.
Au-SAM/PANI/NT-FF pH5/PANI
2000
F
1800
1600
G
B
/ mgrau
1400
D
1200
E
C
1000
800

600
400
200
-500
A
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
tempo / s
Figura 28:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH 5)/PANI no disco de
ouro na presença de SAM.
A curva A se refere a linha base, obtida com o disco de ouro modificado com SAM
em água ultrapura por 180 s. Em seguida, foram injetados 100 μL da dispersão de AN e a
adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva B). É possível verificar um aumento do ângulo de
ressonância, conforme a PANI se adsorve sobre o ouro. A curva C foi obtida após lavagem do
sistema com a água ultrapura, para a eliminação das moléculas fracamente ligadas, a
dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa, permanecem no ouro apenas as
moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre os ângulos obtidos nas curvas A e
C, nos fornece a extensão da adsorção da PANI. Em seguida, foram injetados 100 μL da solução
de NT-FF (pH 5) e a adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva D). É possível verificar um
aumento do ângulo de ressonância, conforme os NT-FF (pH 5) se adsorve sobre a PANI. A
curva E foi obtida após lavagem do sistema com a água ultrapura, para a eliminação das
moléculas fracamente ligadas, e a dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa,
permanecem sobre a PANI apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença
entre os ângulos obtidos nas curvas C e E, nos fornece a extensão da adsorção dos NT-FF (pH
5). Prosseguiu-se com o ensaio e, foram injetados 100 μL da dispersão de AN e a adsorção foi
acompanhada por 1200 s (curva F). É possível verificar um aumento do ângulo de ressonância,
conforme a PANI se adsorve sobre os NT-FF (pH 5). A curva G foi obtida após lavagem do
| 66
sistema com a água ultrapura, para a eliminação das moléculas fracamente ligadas, e a
dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa, permanece sobre os NT-FF (pH 5)
apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre os ângulos obtidos nas
curvas E e G, nos fornece a extensão da adsorção da PANI.
A FIG. 29 apresenta os resultados obtidos quando foi utilizada a solução de NT-FF
em pH 12.
Au-SAM/PANI/NT-FF pH12
1200
B
/ mgrau
1000
C
800
D
600
400

200
A
0
0
500
1000
1500
2000
2500
tempo / s
Figura 29:
Sensorgrama obtido para as adsorções de PANI/NT-FF (pH 12)/PANI no disco
de ouro na presença de SAM.
O sensorgrama apresentado na FIG. 29 mostra a linha base, obtida com o disco de
ouro modificado com a SAM em água ultrapura por 180 s (curva A). Em seguida, foram
injetados 100 μL da dispersão de AN e a adsorção foi acompanhada por 1200 s (curva B). É
possível verificar um aumento do ângulo de ressonância, conforme a PANI se adsorve sobre o
ouro. A curva C foi obtida após lavagem do sistema com a água ultrapura, para a eliminação
das moléculas fracamente ligadas, a dissociação foi acompanhada por mais 300 s. Nesta etapa,
permanecem no ouro apenas as moléculas cujas ligações são mais estáveis. A diferença entre
os ângulos obtidos nas curvas A e C, nos fornece a extensão da adsorção da PANI. Em seguida,
foram injetados 100 μL da solução de N -FF (pH 12) e a adsorção foi acompanhada por 1200 s
(curva D). É possível verificar um discreto aumento, seguido de uma rápida diminuição do
ângulo de ressonância, conforme os NT-FF (pH 12) interagem com a superfície de PANI, este
resultado pode ser um indicativo de que o equipamento não esteja conseguindo quantificar a
interação entre as nanoestruturas e a PANI, por conta do tamanho das mesmas. De acordo
com o estudo realizado por Stenberg e colaboradores 79, uma das limitações da técnica é que o
| 67
equipamento não consegue medir/quantificar a interação entre materiais que possuam massa
molecular inferior a 300 daltons e partículas com tamanho inferior a 400 nm. Desta forma,
podemos inferir que, possivelmente, a alíquota da solução de NT-FF (pH 12) injetada no
equipamento possuía nanotubos com tamanho inferior à 400 nm, já que é possível verificar a
existência de interação entre a PANI e os NT-FF (pH12) conforme mostrado na FIG. 26.
Os resultados da variação do ângulo SPR, observados para a FIG. 26 e FIG. 28 com
as respectivas adsorções sobre o disco de ouro modificado com SAM e sem a SAM são
apresentados na TAB.3.
Tabela 3:
Variações nos ângulos de SPR para os discos de ouro modificados com e sem
SAM.
Adsorções
Variação do ângulo de SPR / mgrau
Au-SAM/PANI – 1ª adsorção
678 ± 0,20
PANI/NT-FF (pH 5) – 2ª adsorção
219 ± 0,53
NT-FF (pH 5)/PANI – 3ª adsorção
209 ± 1,32
Au/PANI – 1ª adsorção
281 ± 0,63
PANI/NT-FF (pH 12) – 2ª adsorção
200 ± 0,80
NT-FF (pH 12)/PANI– 3ª adsorção
427 ± 1,20
Au-SAM: sistema 1 e Au: sistema 2
Analisando a TAB.3 é possível verificar que, quando a superfície do disco de ouro
foi previamente modificada com SAM (ácido 4-mercaptobenzóico), a adsorção de PANI gerou
uma variação do ângulo de SPR 2,4 vezes maior, quando comparada com a adsorção direta da
PANI sobre o disco de ouro, na ausência de SAM. Essa variação significativa, provavelmente foi
determinada pela formação da monocamada de SAM, uma vez que os grupos carboxilatos (COO) presentes na estrutura do tiol utilizado, produziram uma densidade de carga negativa
sobre a superfície do ouro, favorecendo o ancoramento das moléculas de PANI.
Porém, analisando a variação do ângulo de SPR para a segunda adsorção para os
dois sistemas estudados, adsorção sobre o disco de ouro modificado com SAM – sistema 1 e
adsorção direta sobre a superfície do disco de ouro – sistema 2 (adsorção dos NT-FF em pH 5)
sobre a PANI e adsorção dos NT-FF em pH 12 sobre a PANI) verifica-se que, a existência de
uma densidade de carga positiva maior no sistema 1 (conforme discutido no parágrafo
| 68
anterior)não contribuiu para aumentar a adsorção dos NT-FF em pH 5 , esse fato fica evidente
quando analisamos os dados para o sistema 2 (TAB. 3), pois o disco de ouro adsorveu 2,4 vezes
menos PANI, logo a densidade de carga positiva na sua superfície é menor em relação ao
sistema 1, no entanto essa monocamada de PANI adsorveu praticamente a mesma quantidade
de NT-FF só que em pH 12. Portanto, pode-se inferir que o pH da solução de NT-FF exerce
papel fundamental nesta etapa da adsorção.
Esses resultados estão indiretamente em concordância com o estudo realizado
por Tang e colaboradores23, de acordo com os autores, as transições de fase que ocorrem
quando uma solução contendo NT-FF em pH 10,5 (espécie aniônica,NT-FF ) é titulada com
HCl, estão associadas aos processos de agregação. Esses processos de agregação são
consequência da neutralização das cargas negativa dos NT-FF quando o mesmo está sendo
titulado. Logo, em pH elevado as espécies estariam predominantemente na forma aniônica e a
repulsão eletrostática entre os NT-FF não permitiria que essas nanoestruturas se agregassem,
portanto, o que se observaria seriam nanoestruturas do FF. Contudo, conforme o processo de
neutralização avançava as cargas do NT-FF seriam neutralizadas, o que favorecia os processos
de agregação das nanoestruturas e formação de microestruturas.
Baseados nestes resultados foram propostos dois mecanismos de interação para
os dois sistemas estudados. Assim, conforme mostrado na FIG 30 (A) podemos inferir que o
sistema 1, mesmo possuindo uma densidade de carga positiva maior, adsorveu a mesma
quantidade de NT-FF em função do pH em que essas nanoestruturas se encontravam, ou seja,
o pH 5 está próximo do ponto isoelétrico do dipeptídeo (FF). Conforme discutido
anteriormente, nesse pH as cargas dos NT-FF estão balanceadas e as nanoestruturas mais
agregadas, com uma maior área de contato. Para o sistema 2 foi utilizada uma solução de NTFF em pH 12, nesse pH os NT-FF estão na forma iônica e portanto mais desagregados. Essa
desagregação permite que nanoestruturas sejam observadas nesse pH, logo uma menor
densidade de carga (menor quantidade de PANI adsorvida) necessitaria de uma maior
quantidade de nanoestruturas para compensar as cargas, conforme apresentando na
FIG.30(B).
| 69
A
B
NT-FF pH 5
PANI
SAMȢȣȣȣȣȣȣȣȣȣȣȣ
Ȣȣȣȣȣȣȣȣȣȣȣȣ
Au
Figura 30:
NT-FF pH 12
PANI
Au
Ilustração esquemática do mecanismo proposto para estudar os processos de
adsorções de (A) Au-SAM/PANI/NT-FF (pH 5)/PANI, (B) Au/PANI/NT-FF (pH 12)/PANI.
Analisando a variação do ângulo de SPR para o terceiro método de imobilização
para os dois sistemas estudados (adsorção de PANI sobre os NT-FF em pH 5 e adsorção de
PANI sobre os NT-FF em pH 12) verifica-se uma maior adsorção de PANI para o sistema 2. Tal
fato indica que a alta densidade de carga negativa presente nos NT-FF quando os mesmo estão
em pH 12, em conjunto com a elevada área superficial das nanoestruturas, foram os
responsáveis pela maior adsorção de PANI (maior variação do ângulo de SPR) observada para o
sistema 2. Conforme pode ser observado na TAB. 3, a adsorção de PANI sobre os NT-FF em pH
5 (sistema 1) provocou uma menor variação no ângulo de SPR, pois em pH 5 as cargas dos NTFF estão balanceadas, essa deficiência de cargas dificulta o ancoramento da PANI.
Com a técnica de SPR é possível obter várias informações úteis com respeito a
adsorção de moléculas e biomoléculas sobre a superfície do disco de ouro. Segundo o manual
do equipamento cada variação de 120 mgrau no índice de refração do SPR corresponde a 1,0
ng mm2 de material que está interagindo com a superfície do substrato ou de uma
monocamada sobre o substrato 79. A partir desses dados e dos resultados obtidos no ensaio
(TAB. 3) foi possível calcular a quantidade de material que ficou adsorvida em cada etapa da
imobilização, conforme é mostrado na TAB. 4.
| 70
Tabela 4:
Quantidade de material que ficou adsorvido em cada etapa da imobilização
utilizando a técnica de SPR em ng mm 2.
Quantidade de material em ng mm2
Adsorções
Au-SAM/PANI – 1ª adsorção
5,65
PANI/NT-FF (pH 5) – 2ª adsorção
1,94
NT-FF (pH 5)/PANI – 3ª adsorção
1,75
Au/PANI – 1ª adsorção
2,35
PANI/NT-FF (pH 12) – 2ª adsorção
1,59
NT-FF (pH 12)/PANI– 3ª adsorção
3,56
Com este trabalho foi possível, obter a quantidade de material que permaneceu
ligada à superfície, sendo este um parâmetro muito importante no desenvolvimento de
sensores e biossensores e no entendimento do desempenho destes dispositivos.
5.1.2. Cálculo das constantes Cinéticas para o sistema PANI-NT-FF.
Baseados no método de linearização76, mantendo constante a solução da PANI e
variando a concentração da solução de NT-FF foi possível calcular as constantes cinéticas de
associação (ka = 2,95 M1 s1) e dissociação (kd= 0,0652 s1). A constante de equilíbrio (K) e a
variação da energia livre de Gibbs (G) associada à interação NT-FF/PANI foi calculada como
sendo igual a 45,2 M1 e -2,23 kcal mol1 respectivamente.
A técnica de SPR tem sido amplamente utilizada para calcular parâmetros
termodinâmicos. Wei e Latour
80
utilizaram as medidas de variação da energia livre de Gibbs
para estudar as interações existentes entre várias sequências de peptídeo (formados pelos
aminoácidos glicina e tirosina) e as monocamadas de tiol (SAM) utilizando a técnica de SPR.
Yang e colaboradores
81
, estudaram a cinética de adsorção do 5’-thiol-labeled dsDNA na
superfície do disco de Au. Schubert e colaboradores
82
, determinaram a variação da energia
livre de Gibbs para o sistema ssDNA e a proteína A (RPA) utilizando a técnica SPR. Na TAB. 5
são expostos os resultados encontrados na literatura, em ordem decrescente de intensidade
para os valores de Gads dos sistemas citados e para sistema PANI/NT-FF.
| 71
Tabela 5:
Variação da energia livre de Gibbs para diferentes sistemas utilizando a técnica
de SPR.
Gads [kcal.mol-1]
Referência
ssDNA/proteína A (RPA)
14,98 ( 0,19)
82
Au 5’-thiol-labeled dsDNA
8,40 ( 0,80)
81
SAM/TGTGVGTGT
4,40 ( 0,31)
80
SAM/TGTGDGTGT
3,54 ( 0,60)
80
SAM/TGTGTGTGT
2,76 ( 0,28)
80
PANI/NT-FF
2,23 ( 0,51)
-
Tipo de Sistema
T = Tirosina; G = Glicina; V = valina
Até o momento, as cinéticas de associação e dissociação assim como a variação
da energia livre de Gibbs para o sistema PANI/NT-FF não foram discutidos ou apresentados
com grandes detalhes na literatura. Desta forma, este estudo apresenta outra forma de
caracterizar as interações moleculares entre a PANI/NT-FF por meio do conhecimento das
constantes cinéticas de ligações. Conforme citado anteriormente, essas informações são
relevantes no desenvolvimento de futuras aplicações para este sistema, como por exemplo, no
desenvolvimento de sensores e biossensores.
5.2.
Estudo microscópico do processo de crescimento das
nanoestruturas peptídicas na fase sólida-vapor.
Entender como e quais os fatores que influenciam nos processos de
nanoestruturação de um determinado material, é um dos estudos mais importantes na área
de química de materiais e química supramolecular. Os nanomateriais de peptídeo são
conhecidos por apresentarem diferentes morfologias apenas mudando parâmetros como
concentração do meio, pH, presença de sais, temperatura, pressão, dentre outros. Muitos
desses estudos já foram publicados em importantes revistas, conforme relatado no item 1.2.2,
porém sempre utilizando a metodologia na fase líquida para auto-organizar as nanoestruturas.
Conforme mencionado anteriormente, este estudo visa entender como os
parâmetros: solvente, concentração da solução precursora do filme amorfo e tempo de
exposição ao vapor influenciam no processo de nanoestruturação, e na nanoestrutura, do
peptídeo L-difenilalanina (FF), utilizando a metodologia de nanoestruturação na fase sólidavapor. Para, a partir desses resultados, escolher os melhores parâmetros de construção das
nanoestruturas.
| 72
5.2.1. Parâmetros que interferem na nanoestruturação, crescimento e orientação
dos filmes.
5.2.1.1.
Variação do solvente.
Uma vez selecionados o material e a metodologia a ser utilizada na obtenção das
nanoestruturas peptídicas, deu-se início a escolha dos solventes. O objetivo do trabalho era
empregar o solvente anilina, uma vez que se tinha interesse em funcionalizar as
nanoestruturas peptídicas com polianilina, porém era necessário conhecer as potencialidades
e limitações da técnica e como ela influenciaria os processos de nanoestruturação do FF. Dessa
forma, optou-se por utilizar a água como segundo solvente, por esse ser o sistema mais
conhecido e amplamente estudado, com modelos bem estabelecidos para explicar o processo
de nanestruturação, além de ter suas propriedades ópticas, eletrônicas, térmicas e estruturais
bem estabelecidas.
Contudo, antes de iniciarmos esses estudos com a variação do solvente, precisouse saber se o peptídeo FF nanoestruturava na presença de HFP (solvente utilizando na etapa
de solubilização do peptídeo). Então foram preparadas duas amostras de filme amorfo,
conforme citado na parte experimental, em duas concentrações diferentes a 16 mmol L 1
(concentração utilizada na maioria dos artigos encontrados na literatura) e a 160 mmol L 1.
Dessa forma, seria avaliada a influência da concentração da solução de FF no processo, ou
seja, se o aumento da concentração favoreceria o processo de nucleação e crescimento de
nanoestruturas. Na FIG.31 são mostradas duas microscopias, uma mostrando o filme amorfo
quando utilizada uma solução de FF em HFP na concentração de 16 mmol L1 (FIG. 31A), e na
outra se utilizando uma concentração de 160 mmol L1 (FIG. 31B).
Figura 31:
MEV mostrando a presença e morfologia do filme amorfo sobre o substrato de
silício. A) 16 mmol L1 B) 160 mmol L1.
| 73
Analisando as imagens mostradas na FIG. 31, é possível verificar que o peptídeo
FF não nanoestrutura na presença de HFP, e ainda que na concentração de 16 mmol L1 FIG
31(A) a cobertura do substrato de silício é parcial, apresentando aglomerados de FF em
diversas regiões do substrato, fazendo com que o crescimento das nanoestruturas possa
acontecer nessas regiões onde existe o peptídeo.No entanto, aumentando a concentração da
solução (FIG. 31B) verifica-se que a superfície do substrato ficou totalmente recoberta,
fazendo com que possivelmente a nanoestruturação aconteça em toda a superfície, sem a
existência de regiões preferenciais no aparecimento de nanoestruturas.
A partir desses resultados, iniciou-se o estudo da variação do solvente. Os
parâmetros: temperatura, tempo de exposição ao vapor e concentração da solução precursora
foram mantidos constantes nesse estudo. O ensaio foi realizado de acordo com o item 3.3.4.3
e consistiu em depositar uma alíquota de 10 µL da solução de FF em HFP a 16 mmol L1 sobre
um substrato de silício (na ausência de umidade), após evaporação do solvente, esse sistema
foi mantido em atmosfera dos solventes (água e anilina) por 720 min a 98 °C.
Na FIG. 32, são apresentadas microscopias mostrando as diferenças entre os
materiais obtidos em vapor de água (A) e vapor de anilina (B).
Figura 32:
MEV mostrando as diferentes morfologias obtidas do filme amorfo em vapor
de (A) água e (B) anilina. Na concentração de 16 mmol L1, por 720 min a 98 °C.
Ao avaliarmos a FIG. 32, verifica-se que os solventes utilizados influenciaram os
processos de nucleação e crescimento do filme amorfo de forma diferente. Na FIG. 32A (filme
amorfo crescido em vapor de água) observa-se que as nanoestruturas se aglomeraram
preferencialmente em determinadas regiões do substrato de silício. Essas aglomerações
favoreceram os processos de nucleação em muitos pontos ao longo do substrato, fazendo com
que o crescimento fosse orientado a partir dessas áreas, gerando certo padrão de tamanho
(comprimentos abaixo de 100 µm). Esses resultados estão de acordo com a morfologia
| 74
observada para o filme amorfo (FIG. 31A) na concentração de 16 mmol L1, onde foi observado
que o filme amorfo tende a se aglomerar, preferencialmente, em certos pontos do substrato
de silício. No entanto, com essa magnificação não é possível determinar a morfologia das
estruturas formadas.
Porém, ao analisarmos as imagens do filme amorfo crescido em vapor de anilina
(FIG. 32B), verificou-se que o solvente anilina dispersou os aglomerados do filme amorfo (FIG.
31A), pois não se observaram processos de aglomeração preferencial no substrato. Pode-se
notar que as nanoestruturas formadas exibem certa ordem de nucleação e um crescimento
que muito se assemelham ao padrão de crescimento radial apresentado pelos polímeros
(FIG.32A), com comprimentos superiores a 100 μm.
Figura 33:
(A) Microscopia óptica com luz polarizada para um processo de crescimento
radial apresentado pelos polímeros, (B) MEV do filme amorfo do FF crescido em vapor de
anilina.
Analisando as FIG. 33 podem-se observar as semelhanças entre os processos de
nucleação e crescimento para os dois sistemas. A FIG. 31(A) mostra o mecanismo de nucleação
e crescimento apresentado pelos polímeros. O processo de nucleação e crescimento do filme
amorfo do peptídeo FF em vapor de anilina é apresentado na FIG. 33(B). Estudos mais
detalhados devem ser realizados com a finalidade de estudar o crescimento radial
apresentado pelo filme amorfo de FF em atmosfera de anilina, uma vez que esse modelo foi
proposto para os materiais poliméricos com o intuito de explicar a alta organização
apresentada por esses materiais de elevada massa molar.
Entretanto, analisando a FIG. 32, também se pode notar que com a concentração
de 16 mmol L-1 da solução precursora do filme amorfo do peptídeo FF não foi possível recobrir
completamente nenhum dos dois substratos de silício. Baseados neste resultado, o outro
parâmetro variado foi a concentração da solução precursora do filme amorfo.
| 75
5.2.1.2.
Variação da concentração.
A maior parte dos trabalhos publicados na literatura sobre nanoestruturas
peptídicas parte de uma solução precursora de FF a 320 mmol L1 em HFP, seguida de sua
diluição em água até a concentração final de 16 mmol L1, utilizando a metodologia de
obtenção na fase líquida para sintetizar as nanoestruturas12-13, 24. No entanto, existem poucos
trabalhos20, 59, 77 que estudaram a influencia da concentração do peptídeo FF nos processos de
nanoestruturação e agregação das nanoestruturas. Até o momento, nenhum deles utiliza a
metodologia de obtenção na fase sólida-vapor em diferentes solventes para estudar esse
mecanismo. Adicionalmente, estudou-se a influência da concentração da solução nos
processos de recobrimento do substrato de silício.
Dessa forma foram estudadas duas concentrações diferentes para a solução
precursora do filme amorfo: a relatada na literatura (16 mmol L1) e outra dez vezes mais
concentrada (160 mmol L1) em vapor de água e em vapor de anilina . Os parâmetros tempo
de exposição ao vapor e temperatura foram mantidos constantes em 720 min e 98 °C,
respectivamente.
A FIG. 34 mostra os processos de nanoestruturação a partir do filme amorfo nas
concentrações 16 mmol L1 FIG.34(A) e 160 mmol L1 FIG.34(B) em vapor de água.
| 76
Figura 34:
MEV mostrando as diferentes nanoestruturas formadas a partir do filme
amorfo em vapor de água em duas concentrações diferentes (A) 16 mmol L1 e (B) 160 mmol
L1 por 720 min a 98 °C.
Ao analisar as imagens mostradas na FIG. 34, pode-se verificar que em baixas
concentrações (FIG. 34A), as nanoestruturas formadas estão orientadas horizontalmente em
relação ao substrato de silício, e conforme discutido no item 4.2.1.1 (variação do solvente) FIG.
32A (MEV do filme amorfo, crescido em vapor de água, na concentração de 16 mmol L1 ) o
filme amorfo aglomera-se preferencialmente em determinadas regiões, fazendo com que a
cobertura do substrato seja parcial. No entanto, nessa concentração não é possível verificar a
| 77
morfologia das nanoestruturadas formadas, tudo o que se pode inferir é que são
nanoestruturas do tipo 1-D com diâmetros em torno de 300-700 nm.
A FIG. 34B mostra as morfologias obtidas a partir do filme amorfo do FF a 160
mmol L1 em vapor de água. Analisando as imagens é possível observar que as nanoestruturas
continuam a se aglomerar preferencialmente em certas regiões do substrato. E que mesmo
aumentando a concentração da solução precursora do peptídeo FF não foi possível recobrir
totalmente o substrato de silício. Porém, com as várias aproximações (magnificações da
imagem) foi possível verificar que o processo de nanoestruturação formou nanofitas de FF,
orientadas verticalmente em relação ao substrato. Outro fato importante é que o aumento da
concentração não favoreceu os processos de aglomeração das nanoestruturas, com posterior
formação de microestruturas conforme é relatado para a metodologia de obtenção na fase
líquida para o peptídeo FF em água.
A FIG. 35 mostra os processos de nanoestruturação a partir do filme amorfo nas
concentrações 16 mmol L1 FIG.35(A) e 160 mmol L1 FIG.35(B) em vapor de anilina.
| 78
Figura 35:
MEV mostrando as diferentes nanoestruturas formadas a partir do filme
amorfo em vapor de anilina em duas concentrações diferentes (A) 16 mmol L 1 e (B) 160 mmol
L1 por 720 min a 98 °C.
Ao analisar as imagens da FIG. 35, pode-se observar que a principal diferença
entre as imagens da FIG. 35 e FIG. 35B, é a quantidade de nanoestruturas formadas, em
baixas concentrações (FIG. 35A). Existem poucas nanoestruturas fazendo com que a
cobertura do substrato seja parcial, devido, principalmente, a pequena quantidade de
peptídeo disponível para nanoestruturar. Por outro lado, em alta concentração ( FIG. 35B)
é possível verificar que as nanoestruturas estão entrelaçadas entre si, formando um tipo
de rede que possibilita recobrimento total do substrato. Pode-se notar também que na
concentração de 160 mmol L1 (FIG. 35B) as nanoestruturas estão agregadas formando
| 79
microestruturas na ordem de 2-3 µm. No entanto, com essas imagens não se consegue
observar a morfologia exata das microestruturas, apenas que são formadas por
nanoestruturas do tipo 1-D.
Baseados nesses resultados (variação do solvente e variação da concentração),
pode-se inferir que o solvente que melhor consegue dispersar os aglomerados formados no
filme amorfo foi a anilina. Além disso, a concentração da solução precursora do filme amorfo
na qual se consegue um total recobrimento da superfície do substrato de silício é em 160
mmol L1. A partir dessas conclusões foram empregados esses parâmetros para estudar a
variação do tempo de exposição ao vapor do solvente.
5.2.1.3.
Variação do: tempo de exposição do filme amorfo ao vapor do
solvente.
Conforme citado anteriormente, uma das desvantagens da metodologia de
obtenção de nanoestruturas na fase sólida-vapor é o tempo relativamente alto (720 min ou 12
horas) para obter os nanomateriais. Diante disso, este foi um dos parâmetros estudados com
finalidade de se conhecer o mecanismo de formação das nanoestruturas e a partir desses
resultados, trabalhar com tempos de exposição menores, desde que as nanoestruturas
estivessem totalmente formadas.
Desta forma, o ensaio foi realizado com a solução precursora do filme amorfo do
peptídeo FF na concentração de 160 mmol L1 em vapor de anilina. O tempo de exposição do
filme amorfo ao vapor do solvente foi estipulado a partir do tempo de 720 min relatado na
literatura20, 59, 77 em: 360 min, 120 min e 60 min a 98 °C.
A FIG. 36 mostra imagens do monitoramento do tempo de exposição do filme
amorfo ao solvente anilina.
| 80
Figura 36:
MEV do filme amorfo do peptídeo FF na concentração de 160 mmol L1, em
vapor de anilina a 98 °C por 60, 120, 360 e 720 min.
Analisando a FIG. 36, verifica-se que não foi possível observar formação de
nanoestruturas para o tempo de exposição em 60 min, no entanto sabemos,
experimentalmente, que nessa concentração, com esse solvente e a essa temperatura o
peptídeo FF consegue se auto-organizar, logo a variável tempo de exposição do filme amorfo
ao vapor do solvente foi o fator limitante para que o processo não ocorresse. Para o tempo de
exposição fixado em 120 min (FIG. 36) é possível observar alguns pontos de nucleação, com
um princípio de auto-organização do filme amorfo, em algumas regiões da amostra. Para o
tempo de exposição fixado em 360 min (FIG. 36), consegue-se observar muitos pontos de
nucleação e crescimento de nanoestruturas, porém nota-se também que existe muito material
para se auto-organizar. No entanto, quando o tempo de exposição é fixado em 720 min,
observa-se a formação de nanoestruturas com morfologias mais definidas. Desta forma, o
tempo de reação em 720 min, relatado na literatura, mostrou ser a melhor condição para
formar as nanoestruturas do peptídeo FF.
| 81
Caracterização Espectroscópica das Nanoestruturas obtidas
5.3.
em vapor de Água e em vapor de Anilina.
Os materiais obtidos (filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de água e
anilina) foram caracterizados utilizando técnica espectroscópica vibracional na região do
infravermelho (FTIR) e eletrônica na região do ultravioleta-visível (UV-Vis).
5.3.1. Espectroscopia eletrônica (UV-vis).
A espectroscopia eletrônica é decorrente da absorção luminosa na faixa de
comprimento de onda entre 200 a 800 nm (alguns espectrofotômetros alcançam a região do
infravermelho próximo, entre 800 e 1100 nm), nessa região os processos de absorção
acontecem por conta da mudança do estado energético dos elétrons dos compostos. O estudo
desse tipo de espectroscopia pode auxiliar a elucidar característica da molécula, pois quando
ocorrem interações entre grupos cromóforos e a molécula, pode ocorrer deslocamento nas
bandas de absorção. Na FIG. 37 encontram-se os espectros eletrônicos dos nanomateriais
obtidos, por meio de uma solução de FF a 160 mmol L1, a 98 °C por 720 min quando expostas
ao vapor de água e anilina.
filme amorfo do FF em vapor de agua
filme amorfo do FF em vapor de anilina
Absorbância (u.a.)
260
290
370
200
300
440
400
500
600
700
800
Comprimento de Onda (nm)
Figura 37:
Espectros eletrônicos dos nanomateriais obtidos, por meio de uma solução de
FF a 160 mmol L1, a 98 °C por 720 min quando expostas ao vapor de água e anilina.
| 82
Ao analisar os espectros da FIG. 37, podem-se observar quatro bandas de
absorção, a banda característica do peptídeo FF aparece em 260 nm, um ombro em 295 nm, e
as bandas em 370 e 440 nm que são características do processo de nanoestruturação do
peptídeo FF. Pode-se verificar que existe um aumento na intensidade de absorção da banda
em 370 nm para o nanomaterial obtido em vapor de anilina, isso pode ser atribuído a
formação do material nanoestruturado. Conforme mostrado por Park
83
a nanoestrutura do
peptídeo FF apresenta uma banda de absorção em 340 nm, o deslocamento observado na FIG.
37 pode estar diretamente relacionado com o tamanho do nanomaterial obtido, logo,
nanoestruturas menores absorvem em comprimentos de ondas menores, portanto, o
nanomaterial formado e analisado na FIG. 37 provavelmente é maior que o obtido pelo autor.
Em resumo, a banda em 260 nm é atribuída à absorção do anel benzênico do
peptídeo FF. O ombro em 295 nm é atribuído a uma transição do grupo carbonila (C=O)
presente no peptídeo FF. Já a banda em 370nm pode ser atribuída a transição nπ*, também
referente ao grupo carbonila. Por fim, a banda em 440nm pode ser atribuída a uma transição π
π*. No entanto, quando se faz uma análise comparativa da intensidade de absorção para os
espectros eletrônicos obtidos na FIG. 35, é possível verificar um aumento de intensidade para
as bandas em 370 e 440nm, quando o filme amorfo do peptídeo FF foi exposto ao vapor
anilina, esse efeito acontece quando um grupo com saturações ou um solvente polar interage
com um grupo cromóforo e pode alterar tanto o comprimento de onda quanto a intensidade
do sinal de absorção. Essas regiões de absorção são características do grupo carbonila, logo o
aumento de intensidade mostra que possivelmente essa é a região da molécula do peptídeo
FF que interage com a anilina.
Baseado nesses resultados foi proposto um modelo para ilustrar a possível
interação que ocorre entre o solvente anilina (com característica polar) e o peptídeo FF
(composto zwitteriônico).
Este modelo pode ser explicado pela perspectiva de que o peptídeo apresenta
dois pKa´s, o primeiro relacionado com a protonação do grupo amina em torno de 2 e o
segundo relacionado com a desprotonação do grupo carboxílico próximo a 9, enquanto o pKa
do ácido conjugado da anilina está situado próximo a 8. Deste modo, o meio no qual se
encontra o filme amorfo do peptídeo FF é alcalino, pois o pH do vapor de anilina deve estar
acima de 8, e conforme comentado anteriormente, nesse pH ocorre a desprotonação do ácido
carboxílico, fazendo com que o peptídeo FF adquira carga negativa. Esse próton que é liberado
pode então protonar a anilina, formando o íon anilínio (cátion), que interage
eletrostaticamente com as nanoestruturas, formando uma espécie de sal. Essa reação é
| 83
apresentada na FIG. 38, nessa imagem não é mostrada a formação da nanoestrutura, apenas a
possível reação.
O
+
H3N
O
CH C NH CH
O
NH2
+
O
CH C NH CH
H2C
Figura 38:
-
CH2
H2C
H2N
C O
C O
CH2
-
+
NH3
+
Ilustração esquemática da possível reação química de formação das
nanoestruturas por auto-organização na fase sólida- vapor,quando o filme amorfo do peptídeo
FF está exposto ao vapor de anilina .
A formação do sal, explicaria o aumento da banda em 370 nm, já que existiria
interação direta entre o grupo carboxila do peptídeo FF e anilina protonada. Além disso, existe
uma banda de pequena intensidade na região de 670 nm que poderia ser atribuída a
transferência de carga do íon anilínio com o grupo carboxila e vice-versa. O mecanismo de
formação dessas nanoestruturas ainda não foi estudado, porém esses resultados podem
ajudar na formação de um possível mecanismo.
5.3.2. Espectroscopia vibracional (FT-IR).
Recentemente, estudos realizados pelo grupo de pesquisa do Prof. Dr. Wendel
Andrade Alves mostram que as nanoestruturas formadas pelo peptídeo FF apresentam uma
transição de fase por volta de 140 °C, essa transição de fase foi atribuída à mudança de
simetria cristalográfica do nanomaterial obtido. Nos estudos, foram analisadas as
propriedades térmicas dos nanotubos do peptídeo FF (NT-FF) por meio das técnicas de
Calorimetria Exploratória Diferencial (do inglês, differential scanning calorimetry, DCS) e
Análise Termogravimétrica (TGA). Os resultados desse estudo mostraram que por volta de 140
| 84
°C ocorre uma variação de massa nos NT-FF, essa variação foi atribuída à saída da molécula de
água da estrutura dos NT-FF, fazendo com que fosse observada uma transição de fase no
sistema cristalográfico dos NT-FF, que possuía uma geometria hexagonal P61 e passou a obter
uma geometria ortorrômbica Pba2. Essas mudanças foram observadas por difração de raios-X,
utilizando o refinamento Rietveld para obtenção dos parâmetros de rede e posições dos
átomos na célula unitária, antes e após o tratamento térmico. A FIG. 39 ilustra os NT-FF autoorganizados com geometria hexagonal (FIG. 39A) e com geometria ortorrômbica (FIG. 39B).
(A)
(B)
Figura 39:
Ilustração do peptídeo de FF auto-organizado apresentando (A) Formação da
estrutura tubular com canais nanométricos, corresponde à amostra do peptídeo FF na fase
hexagonal P61. (B) Formação da estrutura contínua em amostra do peptídeo FF na fase
ortorrômbica Pba2.
| 85
As amostras tratadas termicamente (FIG. 40) e à temperatura ambiente (FIG. 41)
foram estudadas por espectroscopia vibracional (FTIR). Comparando os espectros do filme
amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina, com o espectro para o NT-FF obtido em
fase líquida após tratamento térmico à temperatura de 190 °C (FIG. 40) e o os espectros do
filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de água com o espectro para o NT-FF obtido
em fase líquida e à temperatura ambiente (FIG. 41), pode-se verificar a sobreposição dos
espectros, esse resultado indica que a ausência e a presença de solventes, assim como o tipo
de metodologia de síntese utilizada e as propriedades térmicas deste material estão
diretamente interligadas e podem determinar a conformação espacial das nanoestruturas
formadas pelo peptídeo FF.
Absorbância (u.a.)
filme amorfo do FF em vapor de anilina
nanoestruturas do FF tratada termicamente à 190°C
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
-1
Número de Onda (cm )
Figura 40:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina (utilizando
a síntese em fase sólida-vapor) na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C e dos NTFF obtidos utilizando a síntese em fase líquida após tratamento térmico a 190 °C.
| 86
Absorbância (u.a.)
nanoestruturas do FF sem tratamento térmico
nanoestruturas do FF crescidas em vapor de água
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
-1
Número de Onda (cm )
Figura 41:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de água (utilizando a
síntese em fase sólida-vapor) na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C e dos NTFF obtidos utilizando a síntese em fase líquida à temperatura ambiente.
Estudos realizados pelo grupo de Demirel e colaboradores mostram uma possível
correlação entre as morfologias apresentadas pelas nanoestruturas do peptídeo FF com as
constantes dielétricas dos solventes utilizados (conforme dados apresentados na TAB.1, na
introdução do trabalho)
22
. Desta forma pode-se concluir que a água por ter uma constante
dielétrica igual a 80, consegue organizar as nanoestruturas de FF em uma geometria hexagonal
(FIG. 39(A)). No entanto, a anilina que possui uma constante dielétrica igual a 7, por exercer
pouca influência nos processos de organização das nanoestruturas, permite que as
nanoestruturas de FF se organizem em uma geometria ortorrômbica (FIG. 39(B)), fazendo com
que esse sistema se assemelhe ao processo observado quando as nanoestruturas do peptídeo
FF perdem a molécula de água, estes resultados estão em concordância com os espectros
vibracionais obtidos na FIG. 40 e FIG. 41.
Por outro lado, ao analisarmos os espectros das nanoestruturas obtidas em vapor de
água e em vapor de anilina na região entre 600 a 1800 cm1 (FIG. 42), pode-se verificar que
existem muitas diferenças entre os dois sistemas de crescimento.
| 87
filme amorfo do FF em vapor de água
filme amorfo do FF em vapor de anilina
1550
1384
728
701
1606
1685
1286
746
Absorbância (u.a.)
1509
1253
1430
1029
833
1079
1658
700
1459
755
804
700
800
1091
900
1347
1496
1267
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
-1
Número de Onda (cm )
Figura 42:
Espectros vibracionais para os nanomateriais obtidos usando vapor de água e
vapor de anilina, na concentração de 160 mmol L1 por 720 min a 98 °C.
Para o nanomaterial obtido usando vapor de água (FIG. 42) as duas regiões mais
importantes do espectro são as que mostram a presença de cargas na molécula do peptídeo
FF, em 1253-1286 cm1, esses picos indicam a formação do íon carboxilato (ânion), e os picos
em 1496 e 1606 cm1, são referentes ao íon amônio (cátion). Quando se analisa o espectro do
nanomaterial obtido utilizando vapor de anilina (FIG.42) pode-se observar que as regiões
citadas anteriormente (1253-1286 cm1 e 1606 cm1) não aparecem, por outro lado a presença
do pico na região de 1496 cm1 é um indicativo de que usando esta metodologia de síntese
forma-se o íon amônio o que corrobora com os resultados de espectroscopia eletrônica (FIG.
37) e mecanismo proposto na FIG. 38.
Baseado nos resultados de espectroscopias e microscopia para estas amostras
pode-se concluir que existe uma relação entre o processo de obtenção das nanoestruturas
obtidas na fase líquida e as nanoestruturas obtidas em fase vapor, com as representações
estruturais descritas anteriormente na FIG. 39, pois somente uma mudança de geometria
poderia explicar as variações morfologias e espectroscópicas observadas. Em resumo, o vapor
de água teria a mesma função que a água nos processos de síntese em fase líquida, permitindo
que os processos de nucleação e crescimento dos tubos acontecessem de forma similar e
ambos os tubos tenham geometria hexagonal (P6 1). Em atmosfera de anilina, as
nanoestruturas se organizariam de forma similar aos NT-FF tratados termicamente a 190 °C, e
| 88
desta forma também se organizariam em uma geometria ortorrômbica (Pba2), e
consequentemente diferente números de átomos por célula unitária. Considerando os modos
vibracionais para essas estruturas a partir da relação 3N-6 (onde N é o número de átomos), é
de esperar uma maior quantidade de vibrações para a estrutura P6 1, o que pode ser
facilmente visualizado nos espectros da FIG. 39.
Porém, a discussão mais importante sobre o estudo espectroscópico dos
nanomateriais obtidos é a possibilidade de determinar a estrutura secundária das
nanoestruturas do peptídeo FF. Muitos estudos foram publicados mostrando as aplicações da
espectroscopia na região do infravermelho para a análise da estruturas secundárias de
compostos biológicos como proteínas e enzimas.84-85Alguns estudos 86,87 indicam que é possível
utilizar o mesmo fundamento para estudar as estruturas secundárias de nanomateriais de
peptídeo. Desta forma, analisando os espectros da FIG. 42 pode-se verificar que os picos
referentes as possíveis estruturas secundárias das nanoestruturas do peptídeo FF são 1685 e
1658 cm1, esses picos podem ser atribuídos a formação de uma β-turn e α-hélice, para o
nanomaterial obtido usando vapor de água e vapor de anilina respectivamente
85,88
. Porém,
acreditamos que esse conceito não se aplica ao sistema estudado, uma vez que as
nanoestruturas do peptídeo FF são moléculas menores quando comparada a estrutura de
proteínas e enzimas.
Qualitativamente pode-se discutir a diferença entre os números de picos que
cada espectro apresentou em função do tipo de interação que ocorreu entre o peptídeo FF e o
vapor do solvente utilizado. Para o nanomaterial obtido usando vapor de água, a estrutura
hexagonal faz com que muitas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água e os grupos
amina, carbonila e amida do peptídeo aconteçam. Aumentando a rigidez do sistema e com
isso a frequência referente a vibração do grupo amida acaba sendo deslocado para uma
frequência maior (1685 cm1). No entanto, para o nanomaterial obtido em vapor de anilina,
que possui estrutura ortorrômbica as interações observadas são menores em função da
ausência de moléculas de água para formar ligações de hidrogênio, consequentemente a
nanoestrutura será menos rígida e as ligações amidas apresentaram um pequeno
deslocamento.
Analisando os espectros dos nanomateriais estudados, observa-se um
deslocamento de 27 cm1 do pico atribuído à ligação amida (conforme apresentado na FIG. 42,
TAB. 6 e TAB. 7), possivelmente devido à mudança estrutural e morfológica entre os materiais
obtidos. No entanto, uma atribuição detalhada dos modos vibracionais obtidos para os
| 89
espectros das nanoestruturas crescida em vapor de água e vapor de anilina são apresentados
na TAB. 6 e TAB. 7, respectivamente.
Tabela 6:
Número de onda e o modo vibracional esperado para o nanomaterial obtido
utilizando vapor de água
89, 90
.
Número de Onda (cm1)
Modo Vibracional Esperado
701
Deformação angular C=C anel aromático
728
Deformação angular simétrica N-H
746
Deformação angular assimétrica fora do plano (abano) C-H
782/833
Deformação angular simétrica (abano) N-H
1029
Deformação angular simétrica (scissoring) CH2
1079
Estiramento C-N
1253/1286
Estiramento C=O
1384
Deformação axial simétrica (C=O)2
1430
Deformação angular C-O-H
1459
Estiramento C=C anel aromático
1496
Deformação angular N-H
1509
Estiramento C=C anel aromático
1550
Estiramento assimétrico CO2
1606
Deformação angular N-H (banda amida II)
1685
Estiramento C=O (banda amida I)
| 90
Tabela 7:
Número de onda e o modo vibracional esperado para o nanomaterial obtido
utilizando vapor de anilina 89,90.
Número de Onda (cm1)
Modo Vibracional Esperado
700
Deformação angular C=C anel aromático
755
Deformação angular assimétrica fora do plano (abano) C-H
804
Deformação angular simétrica (torção) N-H
1091
Estiramento C-N
1193/1211
Deformação angular COO
1267
Estiramento C=O
1347
Estiramento N-C=O (banda amida III)
1459
Estiramento C=C anel aromático
1496
Deformação angular N-H
1658
Estiramento C=O (banda amida I)
A nanoestrutura formada em vapor de anilina apresenta potenciais aplicações em
diversos campos da ciência, em especial na área de biossensores, pois as nanoestruturas
crescidas em vapor de anilina podem ser polimerizadas quimicamente ou eletroquimicamente,
conforme será apresentado no próximo item.
5.4.
Polimerização Química da anilina, Estudo Espectroscópico
e Eletroquímico do Nanomaterial Obtido.
5.4.1. Funcionalização das nanoestruturas do peptídeo FF com PANI.
Um dos objetivos deste trabalho é estudar as propriedades eletrônicas das
nanoestruturas do peptídeo FF funcionalizadas com PANI e desta forma, potencializar sua
utilização em sensores e biossensores. Portanto, a continuação do estudo prevê modificação
da nanoestrutura obtida com PANI. Conforme discutido anteriormente, as melhores condições
para se obter um filme homogêneo e uniforme sobre a superfície de silício é utilizar a
concentração de 160 mmol L1 para a solução precursora do filme amorfo do peptídeo FF, em
vapor de anilina, por 720 min a 98 °C.
Os nanomateriais foram obtidos conforme explicado anteriormente, porém após
o crescimento das nanoestruturas por meio da técnica de auto-organização na fase sólidavapor, o substrato foi imerso em uma solução polimerizante, conforme descrito na literatura 59
| 91
(contendo anilina, persulfato de amônio em meio de ácido sulfúrico) para que a anilina
pudesse ser polimerizada.
A imagem da FIG. 43(A) mostra a morfologia das nanoestruturas de FF crescidas
em vapor de anilina e a FIG. 43(B) apresenta as imagens obtidas após polimerização química
desse filme.
Figura 43:
MEV do (A) filme amorfo do FF na concentração de 160 mmol L1 crescido em
vapor de anilina por 720 min a 98 °C e (B) e após polimerização química da anilina.
Analisando as imagens, pode-se observar a deposição da PANI sobre o
nanomaterial (FIG. 43 (B)), no entanto as imagens mostram que a PANI não esta totalmente
distribuída na superfície do nanomaterial, pois aglomerados são observados em algumas
regiões. Inicialmente, este estudo foi proposto por Park e Ryu 59 que também sintetizaram um
material do tipo core/shell, onde o nanofio do FF seria o caroço e a PANI a casca, de acordo
com os autores a PANI cresce preferencialmente ao longo das paredes dos nanofios do FF, por
meio de uma interação específica que ocorre durante o processo de polimerização e ainda que
os nanofios do FF serviriam de template e desta forma orientam a polimerização da anilina ao
longo do fio. Esse tipo de crescimento cria uma “casca” de AN ao longo do nanofio e o
material resultante passa a apresentar propriedades condutoras.
| 92
Contudo, ainda era necessário caracterizar a estrutura da PANI depositada sobre
as paredes das nanoestruturas do peptídeo FF.
5.4.2. Estudo espectroscópico do nanomaterial funcionalizado.
Para isso foi utilizada a técnica de espectroscopia eletrônica, uma vez que cada
estrutura da PANI apresenta uma coloração em função de sua oxidação ou redução e
consequentemente absorve apenas em determinadas regiões do espectro do UV-Vis, e
também por espectroscopia vibracional, tanto no infravermelho quanto por Raman, essas
duas técnicas fornecem informações sobre os grupos funcionais das moléculas de PANI.
Inicialmente a espectroscopia eletrônica apresentada na FIG 44 descreve o
espectro da PANI sintetizada de acordo com a metodologia utilizada (que foi usada como
sendo o espectro padrão da PANI), e o espectro do nanomaterial funcionalizado com a PANI.
Absorbância (u.a.)
filme amorfo do FF crescido em vapor de anilina, após polimerização química
Padrão de PANI ES
300
400
500
600
700
800
900
1000
Número de Onda (nm)
Figura 44:
UV-vis do nanomateriais funcionalizados com PANI, e o espectro padrão da
PANI em sua forma condutora.
Ao analisar os espectros da FIG. 44, pode-se verificar que o espectro do
nanomaterial modificado com PANI apresenta um perfil próximo ao esperado para o sal
esmeraldina, as transições podem ser atribuídas à processos eletrônicos do polímero. A banda
em 360 nm é referente as transições ππ* dos anéis aromáticos presentes no polímero, a
banda em 435 nm é referente às transições dos segmentos polarônicos do polímero, e por fim
| 93
a banda que começa por volta de 600 nm e segue até o infravermelho próximo é referente aos
portadores de carga do polímero. Portanto, pelos resultados de espectroscopia eletrônica a
PANI depositada sobre a superfície do nanomaterial encontra-se em sua forma condutora
(base esmeraldina).
Essas amostras foram analisadas utilizando espectroscopias vibracionais (FT-IR e
Raman). O espectro na região do infravermelho encontra-se na FIG.45.
Absorbância (u.a.)
filme amorfo do FF crescido em vapor de anilina após polimerização química
filme amorfo do FF crescido em vapor de anilina
1165
1035
880
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
-1
Nْ mero de Onda (cm )
Figura 45:
FTIR do filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina FF na
concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C sem
polimerizar e do filme amorfo após polimerização da anilina.
Quando se analisa os espectros sobrepostos na FIG.45 nota-se que os picos
na região de 1200 a 1700 cm 1, que são atribuídos ao peptídeo (conforme apresentado na
TAB. 8) estão presentes no espectro da nanoestrutura antes e após a polimerização,
indicando que o meio polimerizante extremamente ácido não destruiu as nanoestruturas
após o processo de polimerização. No entanto, surgem bandas após a polimerização em
880, 1035 e 1165 cm 1 essas bandas são atribuídas a vibrações da PANI (TAB. 8), porém, a
banda em 880 cm 1 é uma vibração característica da base esmeraldina (estrutura com
menor condutividade quando comparada ao sal esmeraldina), as outras duas bandas que
aparecem em 1035 e 1165 cm1 correspondem a vibrações do anel benzênico e do anel
semiquinônico, que são características do sal esmeraldina. Esses resultados indicam que a
| 94
metodologia utilizada na polimerização da anilina sintetizou uma mistura com duas
estruturas de PANI (sal e base esmeraldina).
Uma análise mais detalhada das atribuições com os respectivos modos
vibracionais é apresentada na TAB. 8.
Tabela 8:
Número de onda e modo vibracional esperado para o espectro do
nanomaterial modificado com PANI 114-116.
Número de Onda (cm1)
Modo Vibracional Esperado
700
Deformação angular C=C anel aromático
755
Deformação angular assimétrica fora do plano (abano) C-H
804
Deformação angular simétrica (torção) N-H
880
γC-H[PANI]
1035
β C-H
1091
Estiramento C-N
1165
β C-H [PANI]
1193/1211
Deformação angular COO
1267
Estiramento C=O
1347
Estiramento N-C=O (banda amida III)
1459
Estiramento C=C anel aromático
1496
Deformação angular N-H
1658
Estiramento C=O (banda amida I)
Por ultimo a espectroscopia Raman Ressonante foi utilizada para confirmar a
presença da mistura de PANI. O espectro Raman é apresentado na FIG. 46.
400
600
800
1000
1200
1400
Numero de onda / cm
Figura 46:
1470
1339
Intensidade / a.u.
1168
| 95
1600
1800
-1
Espectro Raman Ressonante do nanomaterial do peptídeo FF funcionalizado
com PANI.
Ao analisar o espectro Raman da FIG.46, verifica-se a presença de três picos na
região de 1168, 1339 e 1470 cm1 que indicam a presença da PANI. O pico em 1168 cm1 é
uma deformação do anel quinônico, que é característico da base esmeraldina, o pico em 1470
cm1 é referente à vibração da ligação C=N que aparece apenas nas formas não condutoras da
PANI, por fim o pico em 1339 cm1 é referente a um estiramento dos segmentos polarônicos
do sal esmeraldina. Baseados nesses resultados e nos resultados de FTIR pode-se concluir que
a PANI que esta modificando o nanomaterial do peptídeo FF é uma mistura do sal e da base
esmeraldina.
5.4.3. Estudo eletroquímico.
A caracterização eletroquímica do filme é uma etapa muito importante no estudo
das propriedades eletrônicas do nanomaterial peptídico funcionalizado com PANI. Estas
propriedades foram avaliadas por voltametria cíclica.
Os nanomateriais utilizados nessas caracterizações foram obtidos por meio de
uma solução precursora do peptídeo FF na concentração de 160 mmol L 1, em vapor de
anilina, por 720 min a 98 °C em substrato de ouro. Após essa etapa de crescimento das
nanoestruturas o substrato foi imerso em uma solução polimerizante, conforme descrito na
| 96
literatura 59 (contendo anilina, persulfato de amônio em meio de ácido sulfúrico por 20 horas)
para que a anilina pudesse ser polimerizada.
A FIG. 47 mostra a morfologia dos nanomateriais após a polimerização e os
voltamogramas cíclicos (VC) com as respostas eletroquímicas obtidas.
Pico 1
Pico 1
0,08
-5
6,0x10
0,06
10° ciclo
10° ciclo
20° ciclo
20° ciclo
30° ciclo
30° ciclo
40° ciclo
50° ciclo
40° ciclo
50° ciclo
Pico 2
Pico 2
-5
4,0x10
0,04
-5
mA
II // A
2,0x10
0,02
0,0
0,00
-5
-2,0x10
-0,02
-5
-4,0x10
-0,04
-5
-6,0x10
-0,06
-0,2
-0,2
0,0
0,0
0,2
0,2
0,4
0,4
0,6
0,6
0,8
0,8
1,0
1,0
E // VVvsvsECS
ECS
Figura 47:
MEV mostrando a deposição da PANI sobre as nanoestruturas do peptídeo FF
na concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, após
polimerização química da anilina. VC com a resposta eletroquímica do filme mostrado no MEV
após 50 ciclos em solução de H2SO4 0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a
1000 mV.
Analisando os VC da FIG. 47 verifica-se que até o décimo ciclo, podem ser
observados os picos de corrente anódica 1 e 2, que representam os dois pares de picos redox
da PANI descritos na literatura como relacionados à geração de radicais cátions pela oxidação
do monômero. Estes picos estão relacionados às transições dos estados de oxidação da PANI
leucoesmeraldina/esmeraldina e esmeraldina/pernigralina, respectivamente
30b, 33b
. Nos ciclos
subseqüentes, com a sucessão de ciclo, ocorre uma redução no valor de corrente do sistema,
indicando uma diminuição gradual da espessura do filme formado sobre o substrato de ouro.
A partir do vigésimo ciclo observa-se o deslocamento do potencial final da eletrossíntese para
valores de potencial mais positivo, indicando que a superfície do eletrodo de ouro não está
recoberta completamente pelo filme. Estes resultados são um indicativo de que o filme de
nanoestruturas do peptídeo FF funcionalizados com PANI possui pouca interação com o
substrato de ouro, uma vez que se perde material no processo de varredura do filme (FIG.47).
Recentemente, Yemini e colaboradores 58 construíram um biossensor baseado na
imobilização de NT-FF funcionalizados com moléculas de tiol (2-iminothiolane hydrochloride)
sobre a superfície de um eletrodo de ouro. Diante disso, modificou-se o substrato de ouro com
uma monocamada do tiol ácido 4-mercaptobenzóico (SAM). Era esperado que depois de
| 97
adsorvida sobre a superfície do substrato, fosse formada uma camada compacta e estável com
o filme de nanoestruturas do peptídeo FF funcionalizado com PANI.
A FIG. 48 mostra o VC com a resposta eletroquímica para o sistema com a SAM
(FIG. 48(B)) e sem SAM (FIG. 48(A)).
Au/filme FF@PANI (1° ciclo)
Au/filme FF@PANI (50° ciclo)
0,08
0,06
0,04
I / mA
0,02
0,00
-0,02
-0,04
-0,06
-0,08
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
A
Au/SAM
Au/SAM/ filme FF@PANI (50° ciclo)
0,020
0,015
I / mA
0,010
0,005
0,000
-0,005
-0,010
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
B
Figura 48:
VC do filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na concentração de
160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, após polimerização química da
anilina em eletrodo de ouro sem SAM (A) e com SAM (B) após 50 ciclos em solução de H2SO4
0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV.
Ao analisar os VC da FIG. 48(A) pode-se observar os dois picos de corrente
anódica, que representam os dois pares de picos redox da PANI atribuídos a interconversão
| 98
da PANI em seu estados leucoesmeraldina/esmeraldina e esmeraldina/pernigralina,
respectivamente 30b, 33b. No entanto, nos ciclos subsequentes ocorre uma redução no valor da
resposta de corrente do sistema com a sucessão de ciclos, indicando uma diminuição gradual
da espessura do filme formado sobre o substrato de ouro que pode estar associada ao
processo de lixiviação do filme para a solução de ácido sulfúrico. A resposta eletroquímica para
o quinquagésimo ciclo mostra o deslocamento do potencial final para valores de potencial
mais positivo, indicando que a superfície do eletrodo de ouro não está recoberta
completamente pelo filme. Analisando a FIG. 48(B) nota-se, primeiramente, que SAM formada
sobre o eletrodo de ouro recobriu totalmente sua superfície, uma vez que não são observados
os picos referentes a oxidação do ouro. Porém, o perfil para o filme após quinquagésimo ciclo
é o mesmo quando comparado com o filme sem a SAM, ou seja, essa monocamada de tiol não
interagiu com o filme como era esperado e o filme com nanoestruturas do peptídeo FF
funcionalizado com PANI continuou sendo lixiviado para a solução.
Outra estratégia utilizada com a finalidade de aumentar a interação do filme com
o substrato de ouro, consistiu em formar um filme eletroquimicamente com 5 ciclos de PANI
sobre a superfície do ouro, antes da formação do filme com nanoestruturas. A FIG. 49
apresenta o VC com a resposta eletroquímica para esse sistema.
| 99
AU/ PANI(5 ciclos)/filme FF em vapor de anilina após 50° ciclo
0,04
0,03
0,02
I / mA
0,01
0,00
-0,01
-0,02
-0,03
-0,04
-0,05
-0,2
0,0
A
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
Au/PANI (5 ciclos)
Au PANI (5 ciclos)/ filme de FF crescido em vapor de anilina
1,5
1,0
I / mA
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-0,2
B
Figura 49:
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
VC do (A) filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na concentração
de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C, em eletrodo de ouro com
filme de PANI. (B) VC com a resposta eletroquímica do filme de PANI formado sobre o eletrodo
de ouro após 5 ciclos com sobreposição do VC apresentado em (A). Em solução de H 2SO4 0,5
mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV.
| 100
Analisando os voltamogramas apresentados na FIG. 49 pode-se verificar que a
presença de um filme de PANI não favoreceu os processos de troca de elétrons entre o filme e
o eletrodo, ao contrário nota-se que o filme de nanoestruturas de FF bloqueou os sítios do
filme de PANI eletrosintetizado, pois houve uma redução brusca na resposta da corrente,
conforme mostrado na FIG. 49 (B). Contudo, a FIG. 49(A) mostra a presença dos dois picos de
corrente anódica (característicos da PANI) deslocado para potenciais mais positivos. No
entanto, esse filme de nanoestruturas não tinha sido polimerizado quimicamente, este
resultado é interessante uma vez que demonstra que o vapor de anilina ao qual o filme foi
exposto no seu processo de crescimento, poderia de alguma forma ter sido absorvido pelas
nanoestruturas permitindo que o mesmo fosse polimerizado eletroquimicamente.
Com a finalidade de verificar a influência do vapor de anilina sobre as
propriedades eletrônicas do filme de nanoestruturas do peptídeo FF, montou-se outro sistema
no qual o ouro foi modificado com SAM, no entanto como os resultados obtidos com o ácido
4-mercaptobenzóico não se mostraram satisfatórios, optou-se por utilizar outro tiol 4mercaptopiridina por acreditarmos que as similaridades estruturais (presença de anel
benzênico, e de grupos amina) entre ele e o peptídeo FF e o solvente anilina pudesse favorecer
as interações entre os mesmos.
A FIG. 50 mostra o voltamograma com a resposta eletroquímica para este
sistema.
| 101
Au/SAM/ filme amorfo do peptídeo FF crescido em vapor de anilina
Au/SAM
1,4
1,2
1,0
0,8
I / A
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
Figura 50:
VC do Au/SAM e do Au/SAM com filme formado por nanoestruturas do
peptídeo FF na concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98
°C. Em solução de H2SO4 0,5 mol L1 e v = 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV.
Ao analisar os voltamogramas presentes na FIG. 50 pode-se verificar o
voltamograma liso (linha pontilhada), indicando que a monocamada de SAM recobriu
totalmente a superfície do eletrodo de ouro. No entanto, ao analisar o voltamograma obtido
para o eletrodo de ouro modificado com as nanoestruturas do peptídeo FF crescido em vapor
de anilina, nota-se a presença dos dois pares de picos redox da PANI, descritos na literatura
como relacionados à geração de radicais cátions pela oxidação do monômero. Estes picos
estão
relacionados
às
transições
dos
estados
de
oxidação
da
PANI
leucoesmeraldina/esmeraldina e esmeraldina/pernigralina, respectivamente dois picos
anódicos 30b, 33b. Estes resultados indicam que o vapor de anilina ao qual as nanoestruturas são
expostas
durante
seu
crescimento modificaram
as
propriedades
eletrônicas
das
nanoestruturas do peptídeo FF, porém a redução na corrente observada é um indicativo de
que a concentração de anilina na nanoestrutura é baixa.
Este eletrodo foi caracterizado por microscopia eletrônica com a finalidade de
verificar a influência do processo de polimerização eletroquímica na morfologia das
nanoestruturas. A FIG. 51 apresenta a microscopia com a morfologia desse eletrodo.
| 102
Figura 51:
MEV do eletrodo de ouro modificado com SAM e com o filme com
nanoestruturas de FF na concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720
min a 98 °C, após polimerização eletroquímica.
Ao analisar as imagens da FIG. 51 pode se observar que o filme com
nanoestruturas recobriu totalmente a superfície do substrato de ouro. Porém a elevada
concentração do peptídeo FF, e diminuição da área do eletrodo de trabalho (nos ensaios
anteriores, uma alíquota de 10 µL da solução do peptídeo FF foi depositada sobre o substrato
de silício com 1 cm2 de área. Essa mesma alíquota foi depositada sobre uma área de 7,0 mm 2,
o que consequentemente favoreceu os processos de aglomeração das nanoestruturas em
algumas regiões, preferencialmente. No entanto, não foi possível observar a PANI depositada
sobre a superfície das nanoestruturas, conforme era observada para o filme de FF com
polimerização química (FIG. 47), utilizando MEV. Porém, foi possível observar os pares redox
característicos da PANI 30b, 33b (FIG. 50), isso indica que ela deve sim, estar depositada sobre as
nanoestruturas, contudo a presença das nanoestruturas do peptídeo FF deve ter dificultado
sua visualização. Dentro deste contexto, estudos recentes publicados na literatura por Xavier e
colaboradores
91
indicam que é possível obter nanopartículas de PANI com diâmetros médios
em torno de 90 nm, quando a concentração da anilina é igual a 0,02 mol L1 .
| 103
Baseados nesses resultados um último sistema foi montado com a finalidade de
estudar o aumento da transferência de elétrons entre o filme e o eletrólito de suporte. Ele
consistiu em modificar a superfície do eletrodo de ouro com a SAM (4-mercaptopiridina) a
partir do crescimento do filme do peptídeo FF na concentração de 160 mmol L 1 crescido em
vapor de anilina por 720 min a 98 °C. Após a etapa de crescimento, o eletrodo de ouro com as
nanoestruturas do FF foi colocado em uma solução ácida de anilina. Um filme de 5 ciclos foi
formado sobre a superfície das nanoestruturas. A FIG. 52 apresenta o VC para este sistema.
Au/SAM/ filme do FF em vapor de anilina / 5 ciclos de PANI sintetizada eletroquimicamente
Au/SAM/ filme do FF em vapor de anilina
0,15
I / mA
0,10
0,05
0,00
-0,05
-0,10
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E / V vs ECS
Figura 52:
VC de Au/SAM com filme formado por nanoestruturas do peptídeo FF na
concentração de 160 mmol L1 crescido em vapor de anilina por 720 min a 98 °C antes (linha
vermelha) e após (linha preta) formação do filme de PANI. Em solução de H 2SO4 O,5 mol L1 e v
= 20 mV s1, no potencial de 200 mV a 1000 mV.
Nos voltamogramas apresentados na FIG. 52 é possível observar os três pares de
picos redox que caracterizam os estados de oxidação em que se encontram a PANI, sendo que
os dois processos redox principais são atribuídos às reações de interconversão da PANI em
seus estados de oxidação leucoesmeraldina/esmeraldina e esmeraldina/pernigranilina,
respectivamente
30b, 33b
. O aparecimento de um par redox entre os dois processos redox
principais está relacionado às reações e produtos de degradação oxidativa do polímero
quando em seu estado mais oxidado (pernigranilina).
Outro resultado importante foi o
aumento da corrente quando um filme de PANI foi depositado sobre as nanoestruturas o que
| 104
indica que a presença de PANI aumentou a transferência de elétrons entre o filme e o
eletrodo.
Esses são os resultados iniciais do estudo da influência da PANI sobre as
propriedades eletrônicas das nanoestruturas de FF. Estudos mais profundos devem ser
realizados para entender o mecanismo pelo qual ocorre a interação para que se possa
aumentar a condutividade do material.
| 105
Capítulo 6-
Considerações Finais
A partir dos resultados experimentais obtidos usando a técnica de SPR, pode-se
concluir que:
As nanoestruturas peptídicas (obtidas em fase líquida) interagem com a PANI (na
forma de sal esmeraldina), pois foi possível verificar alterações nos ângulos de SPR quando a
PANI ou a solução de NT-FF eram injetadas na célula do equipamento. E a partir desses
resultados calculou-se, em ng, a quantidade de NT-FF e PANI que estavam interagindo durante
a formação das monocamadas. Adicionalmente, está técnica permitiu calcular os parâmetros
termodinâmicos (constantes de associação e dissociação, constante de equilíbrio e variação da
energia livre de Gibbs) para a interação PANI/NT-FF. Desta forma, podemos concluir que estes
resultados são muito importante, pois apresentam outra metodologia para estudar as
interações moleculares entre a PANI/NT-FF.
Nos ensaios utilizados para avaliar a influência dos parâmetros: solvente,
concentração da solução precursora do filme amorfo de FF e tempo de exposição ao solvente,
nos processos de crescimento e nanoestruturação do peptídeo FF (empregando a metodologia
de obtenção na fase sólida-vapor) verificou-se, por meio das imagens obtidas com o MEV, que
os melhores parâmetros, para se recobrir totalmente a superfície de um eletrodo (com área de
1 cm2) são: a concentração da solução do FF em 160 mmol L1, em vapor de anilina por 720
min.
E por fim, os resultados obtidos com MEV, UV-vis, FT-IR, Raman e Voltametria
Cíclica demonstraram que é possível funcionalizar as nanoestruturas peptídicas com polianilina
sintetizada quimicamente e eletroquimicamente de forma a obter um material híbrido com
novas propriedades eletrônicas e com potencias aplicações em sensores e biossensores.
| 106
Capítulo 7-
Referência Bibliográfica
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