Determinação de Pesticidas e Compostos Correlatos Utilizando Aços Inoxidáveis
Modificados com Nanopartículas Metálicas
Nayara Boschen1, Eryza Castro2, Everson do Prado Banczek3, Maico Taras da Cunha4, Paulo
Rogério Pinto Rodrigues5 e Andressa Galli 6.
1
Graduanda em Química, 2 Doutora em Química Inorgânica, Área de Materiais, 3 Doutor em Ciências dos Materiais,
Área de materiais, 4 Doutorando em Química Aplicada, Área de Físico-Química,5 Doutor em Ciências, Área de FísicoQuímica, 6 Doutora em Química, Área de Química Analítica/Eletroanalítica. Departamento de Química, Setor de
Ciências Exatas e de Tecnologia, Universidade Estadual do Centro Oeste (PR)- UNICENTRO.
Resumo
A utilização indiscriminada de agrotóxicos, principalmente em países em desenvolvimento, acarreta
uma contaminação ambiental difícil de ser combatida, associada à exposição humana a estes
agentes químicos, seja pelo consumo dos agroalimentos, ou no contato durante ou após a colheita,
aumentando os riscos aos seres humanos de intoxicação, doenças carcinogênicas ou degenerativas.
Desta forma os estudos de uso de técnicas modernas e rápidas para detecção de teores de pesticidas
em alimentos são fortemente desenvolvidos. Eletrodos de ouro, carbono vítreo, diamante, entre
outros eletrodos modificados e biosensores são os mais empregados na eletroanalitica. Este
trabalho tem como objetivo utilizar o eletrodo de aço inoxidável tipo ABNT 304, liso e
quimicamente modificado com nanopartículas de ouro, visando à minimização dos custos de
análises com o uso do aço inoxidável e as nanopartículas. As técnicas empregadas foram
voltametria de onda quadrada, microscopia óptica e potencial de circuito aberto. Os eletrodos
testados foram de aço inoxidável 304, liso e modificado com nanopartículas de ouro. Os resultados
com estes dispositivos apresentaram uma minimização do potencial de trabalho para mais próximo
de zero volt, diminuindo assim, o efeito de matriz e apresentando resposta rápida. Avaliando-se os
resultados encontrados, bem como o amplo tempo de vida útil do dispositivo desenvolvido, pode-se
considerar que o método de auto-organização utilizado promoveu respostas satisfatórias. Estes
aspectos e o uso do ABNT 304 como eletrodo de trabalho eletroanalitico, são pouco relatados na
literatura e constituem uma vantagem característica do sistema desenvolvido neste estudo, bem
como uma contribuição importante na área da eletroanálise.
Palavras chave: Aço inoxidável 304, técnicas eletroanaliticas, nanopartículas de ouro.
Abstract
The indiscriminate use of pesticides, mainly in developing countries, causes environmental
contamination fought hard to be associated with human exposure to these chemicals, either by
consumption of agrifood, or in contact during or after harvest, increasing the risk to human
toxicity, carcinogenic or degenerative diseases. Thus studies using modern techniques and rapid
detection of pesticide levels in foods are strongly developed. Gold electrodes, glassy carbon,
diamond, among other modified electrodes and biosensors are the most used in electroanalysis.
This paper aims to use the electrode ABNT 304 stainless steel, smooth and chemically modified
with gold nanoparticles, aiming at cost minimization analysis with the use of stainless steel and
nanoparticles. The techniques used were square wave voltammetry, open circuit potential and
optical microscopy. The electrodes were tested in SS 304, smooth and modified with gold
nanoparticles. The results with these devices showed a minimization of potential work closer to zero
volts, thereby reducing the matrix effect and having quick response. Evaluating the results, and the
wide lifetime of the developed device, it can be considered that the self assembled method used
promoted satisfactory answers in terms of detection limit. These aspects and the use of ABNT 304
electroanalytical working electrode are poorly described in the literature and constitute a
characteristic advantage of the system developed in this study, as well as an important contribution
in the field of electroanalysis.
Keywords: SS304, electroanalytical techniques, gold nanoparticles.
1. Introdução
Os pesticidas se enquadram como moléculas desenvolvidas para aumentar o rendimento
das diferentes atividades agrícolas em todo mundo, bem como controlar a população de insetos
danosos ou incômodos (BARBOSA, 2004). Entretanto, sua utilização indiscriminada,
principalmente em países em desenvolvimento, acarreta uma contaminação ambiental difícil de ser
combatida, posto que estas moléculas são especialmente projetadas para serem estáveis no meio
ambiente e especialmente tóxicas para diferentes organismos (IUPAC,1996). Dos diferentes tipos
de exposição humana a agentes químicos, nenhuma é tão complexa como a que ocorre por meio dos
alimentos, como a contaminação de frutas e hortaliças, que em muitos casos são consumidas in
natura e brevemente após a colheita, aumentando os riscos ao consumidor a intoxicação, doenças
carcinogênicas ou degenerativas (VIEIRA,1999.CARDOSO,1992).
A análise de resíduos de pesticidas nos mais diferentes meios é tradicionalmente realizada
utilizando-se métodos cromatográficos de separação e detecção, o que requer a utilização de
algumas etapas de preparação da amostra antes que ela possa ser analisada, evitando assim os
interferentes e, principalmente, a contaminação da coluna cromatográfica, que pode levar a
resultados errôneos. Esta etapa de preparação da amostra, muitas vezes, é longa e complexa, o que
faz com que o tempo de análise aumente muito, e consequentemente eleve os custos operacionais.
Dentro deste contexto, as técnicas eletroanalíticas, que compreendem um conjunto de técnicas
voltamétricas de análise, surgem como alternativa para a detecção e quantificação de poluentes
ambientais e justificam os esforços realizados no sentido do desenvolvimento de técnicas e métodos
analíticos que visem à melhoria na rapidez e sensibilidade na determinação de pesticidas, em
matrizes complexas, assim como, explorem a possibilidade de aplicação in situ no campo, com
sistemas miniaturizados (GALLI,2006,2011.DE SOUZA,2007.PEREIRA, 2002 ).
Os eletrodos de trabalho mais empregados em eletroanálise são os de ouro, carbono vítreo,
diamante dopado com boro, pasta de carbono, platina, fibra de carbono, entre outros. Além disto,
atualmente, destacam-se os eletrodos quimicamente modificados e entre eles os biossensores1
(GALLI,2009), para a determinação de poluentes emergentes, tais como pesticidas em diferentes
matrizes (DAN DUA, 2008. PEDROSA, 2007 . CAETANO, 2008). Adicionalmente, na literatura,
registra-se o uso de nanopartículas de ouro depositadas em carbono vítreo, utilizando-se a técnica
de deposição de camadas por meio de gotejamento e secagem térmica, gerando um sensor para uso
eletroanalítico (SCHULZE, 2002. GATES, 2008). Assim, este trabalho tem como objetivo, explorar
os potenciais das técnicas eletroanalíticas, tais como a voltametria de onda quadrada, voltametria
cíclica e a cronoamperometria, em diferentes aplicações, como no estudo da adsorção, degradação e
transporte de pesticidas no ambiente, bem como na quantificação destes poluentes em amostras
ambientais, visando à determinação dos mecanismos de redução ou oxidação eletroquímica destas
moléculas. No desenvolvimento deste trabalho utilizaram-se eletrodos de aço inoxidável tipo ABNT
304, lisos e quimicamente modificados com nanopartículas de ouro, empregando-se a técnica de
auto-organização eletrocinética (RODRIGUES, 2009), como mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Representação esquemática da auto-organização da molécula de nanopartículas de ouro sobre o aço ABNT
304.
2. Materiais e Métodos
Todos os experimentos foram feitos em triplicata e a temperatura de 25 ± 2 °C.
2.1 Eletrodos de trabalho
Inicialmente o eletrodo de aço ABNT 304 foi imerso por 3 minutos em solução de H2SO4
concentrado e H2O2 30% v/v, 3:1 respectivamente (CARVALHAL, 2005). Após os 3 minutos o
eletrodo foi lavado com água ultrapura e o processo foi repetido por três vezes.
Após a limpeza química o mesmo foi lixado com lixas de SiC #320, #400, #600, #1200 e
#2400 mesh. O tratamento final foi limpeza eletroquímica do eletrodo de aço imerso em solução
H2S04 0,5 mol L-1, se realizando 100 varreduras cíclicas, a velocidade de varredura de 500 m.Vs -1 e
em intervalos de potencial de 0 a 1,5 V versus Ag(s)/AgCl(s).
Foram executadas mais 25 varreduras, nas mesmas condições, porém com velocidade de
100 mVs-1. Somente após este processo de limpeza foi aplicado eletrocinéticamente as
nanopartículas de ouro metálico. A composição química do aço ABNT 304 estudado é apresentada
na Tabela 1.
Tabela 1 – Composições químicas (% m/m) para o aço inoxidável 304.
Elementos
Químicos
Metais
Aço 304
Fe
Cr
Ni
C
Mn
Si
Mo
69.02
18.82
9.26
0.06
1.91
0.47
0.47
2.2 Célula eletroquímica
Para a realização dos experimentos utilizou-se uma célula de vidro Pyrex de
compartimento único, com capacidade para 20 mL, equipada com tampa em Teflon , contendo
orifícios para desoxigenação da solução com nitrogênio, e para posicionamento dos eletrodos,
sendo: eletrodo de referência (Ag/AgCl/3M KCl), eletrodo de trabalho com área média de 5,7x10-3
mm² (ABNT 304) e um contra-eletrodo de platina com área de 30 cm2.
2.3 Soluções e Reagentes
Todos os reagentes utilizados nos experimentos são de pureza analítica. Adicionalmente,
todo material utilizado (espátulas, béqueres, etc.), passou por um procedimento de limpeza.
2.3.1 Solução do pesticida tiofanato metílico
O pesticida tiofanato metílico (TM) foi adquirido da Sigma - Aldrich®, com massa
molecular de 191,2 g mol-1 e pureza de 99,7%. A estrutura química do TM é apresentada na Figura
2. As soluções de tiofanato metílico (TM) utilizadas foram obtidas a partir de uma solução estoque
com concentração de 1x10-2 mol L-1, preparada em 100% de acetona.
Figura 2 – Estrutura do tiofanato metílico (TM)
Como eletrólito suporte foi utilizada uma solução de tampão Britton-Robinson (BR) 0,1
mol L , pH = 4 (BRITTON; ROBINSON, 1931). Para a preparação do tampão BR utilizou-se duas
-1
soluções, sendo a solução 1 composta de perclorato de sódio 0,1 mol L-1; ácido fosfórico 0,04
mol L-1, ácido bórico 0,04 mol L-1 e ácido acético 0,04 mol L-1 e a solução 2 de hidróxido de sódio
1 mol L-1, para ajuste do pH.
2.3.2 Solução de nanopartículas de ouro
Para a preparação das nanopartículas de ouro metálico, foi utilizado 38 µL de uma solução
aquosa de HAuCl4.3H20, de concentração 3x10-1 mol.L-1, juntamente com 11,12 mL de água
ultrapura (solução 1). Posteriormente, foi preparado 10 mL de uma solução de 4x10-2 mol.L-1 de
citrato de sódio (solução 2). Misturou-se a solução 1 com 1,25 mL da solução 2 elevou-se por 30
minutos ao sistema de aquecimento em refluxo. Na Figura 3 é observado a mudança de cor amarela
da solução inicial, para uma coloração violeta, indicando o surgimento das nanopartículas de ouro
metálico (nanoAu), estabilizadas pelo citrato em suspensão (GATES, 2008).
Todas as soluções aquosas foram preparadas reagentes de grau analítico e com água ultra
pura com condutividade de 18 µS-1.
Figura 3 – Solução de nanopartículas de ouro metálico devido à geração.
2.4 Técnicas empregadas
Foram empregadas técnicas, como: potencial de circuito aberto (ECA), curvas
cronoamperométricas (CR), voltametria de onda quadrada e voltametria cíclica. Todas as medidas
eletroquímicas foram feitas utilizando o potenciostato microautolab® III, e as medidas foram
realizadas em triplicata.
A voltametria de onda quadrada (SWV) foi a técnica escolhida para o desenvolvimento de
metodologia eletroanalítica para o tiofanato metílico, devido à sua sensibilidade. Os parâmetros da
técnica, tais como frequência de aplicação dos pulsos de potencial (f), amplitude de pulso de
potencial (a) e incremento de varredura ( Es) foram previamente avaliados e os resultados
foram:f=100s-1, a = 50 mV eΔEs = 2 mV, para a obtenção do melhor sinal analítico. A faixa de
potencial de trabalho escolhida foi o intervalo de 0 a 1,5 V versus Ag(s)/AgCl(s)/3 mol L-1.
Adicionalmente, foi avaliado o melhor tempo de aplicação de potencial para a formação das
camadas auto-organizadas de nanopartículas de ouro metálico e observou-se que o melhor tempo de
nucleação foi de 100 s.
A eletroatividade do TM sobre o eletrodo modificado de aço ABNT 304, foi verificada em
relação à variação da concentração do TM, a qual foi definida pelas medidas no eletrólito suporte,
em pH = 4, observando-se a intensidade da corrente de pico anódica (Ipa) parao pesticida. A
resposta do TM foi obtida nos intervalos de 0,6 a 1,15 V em relação ao eletrodo de Ag(s)/AgCl(s).
As microscopias ópticas da superfície do aço ABNT 304 sem e com modificações foram
executadas utilizando-se um microscópio Olympus modelo BX 41M.
3. Resultados
3.1 Micrografias ópticas da superfície do aço ABNT 304 liso e com modificação de nanoAu
As micrografias ópticas da superfície do eletrodo de aço sem modificação, modificado por
gotejamento e por eletrocinética são apresentados na Figura 4 (A), (B) e (C).
4 (A)
4 (B)
4 (C)
Figura 4 - Micrografias ópticas do aço ABNT 304: (A) polido e com aumento de 100 x, modificado com
nanopartículas de ouro (B) por gotejamento, aumento de 50 x e (C) por eletrocinética com tempo de nucleação de 100 s.
aumento de 50 x.
3.2 Estudo da nucleação de nanoAu de ouro sobre o aço ABNT 304
As curvas de potencial de circuito aberto para o eletrodo de aço ABNT 304 em solução de
nanopartículas de ouro metálico, bem como as curvas cronoamperométricas de auto-organização
eletrocinética da nanoAu são apresentadas nas Figuras 5 e 6, respectivamente.
Figura 5 - Potencial de circuito aberto para o aço ABNT 304 durante a nucleação eletrocinética da nanoAu de ouro.
Potencial de estabilização de – 38,7 mV vs. Ag(s)/AgCl(s).
Figura 6 - Curva cronoamperométrica para o aço 304 por 100 s, Eaplicado= -38,7 mV / Ag(s)AgCl(s).
3.3 Eletroanálise da detecção do TM no eletrodo de aço ABNT 304 sem modificação
Na Figura 7 são apresentados os voltamogramas do aço liso e modificado com nanoAu de
nanopartículas de ouro metálico.
Figura 7 - Voltamogramas de onda quadrada para o aço ABNT 304 sem e com modificação com nanopartículas de
ouro (nanoAu), em meio de tampão BR 0,1 mol L-1, pH 4,0 (f=100s-1, ΔEs=2 mV, a = 50 mV e t deposição=100 s).
Na Figura 8 são apresentados os voltamogramas do aço sem modificação (liso) em
diferentes concentrações de TM.
Figura 8 - Voltamogramas de onda quadrada para o aço ABNT 304 sem modificação em tampão BR 0,1 mol L-1,
pH = 4,0 e com diferentes concentrações do tiofanato metílico (f=100s-1, ΔEs=2 mV, a = 50 mV e t=100 s).
Na Figura 9 são apresentadas as correntes médias do pico anódico do aço ABNT 304, liso,
em função da concentração do TM, em relação aos resultados obtidos de acordo com a Figura 8.
Figura 9 – Corrente de pico do aço ABNT 304, sem modificação em função da concentração de TM na solução
tampão BR 0,1 mol L-1 e pH 4,0 (f=100s-1, ΔEs=2 mV, a = 50 mV e t=100 s).
3.4 Eletroanálise da detecção do TM no eletrodo de aço ABNT 304 modificado com nanoAu
Na Figura 10 são apresentados os voltamogramas do aço com modificação em diferentes
concentrações de TM.
Figura 10 - Voltamogramas de onda quadrada para o aço ABNT 304 modificado com nanopartículas de ouro, em
tampão BR 0,1 mol L-1, pH 4,0 e com diferentes concentrações do tiofanato metílico (f=100s-1, ΔEs=2 mV, a = 50 mV e
tdeposição=100 s).
Na Figura 11 são apresentadas as correntes médias do pico anódico do aço ABNT 304
modificado com nanopartículas de ouro metálico, em função da concentração do TM, de acordo
com os resultados obtidos na Figura 10.
Figura 11 – Corrente de pico do aço ABNT 304 com modificação em função da concentração de TM na solução
tampão BR 0,1 mol L-1 e pH 4,0 (f=100s-1, ΔEs=2 mV, a = 50 mV e tdeposição=100 s).
4. Discussões
As micrografias da Figura 4 (A) e 4 (B), mostram que a auto-organização das nanoAu na
superfície do aço, quando feita por meio de gotejamento e secagem à temperatura ambiente, gera
aglomerados de nanopartículas, vide figura 4 (B). Entretanto, quando utiliza-se a técnica de
eletrocinética, há uma possível auto-organização, sem a criação de aglomerações das
nanopartículas, Figura 4 (C), a qual é semelhante ao eletrodo de aço ABNT 304 polido, figura 4
(A).
Na Figura 5, é verificada a variação do potencial de circuito aberto do eletrodo de aço
ABNT 304, quando este é imerso em solução de nanopartículas de ouro metálico. Nota-se que o
potencial sofre um pequeno acréscimo nos primeiros minutos, tendendo para valores menos nobres
com o tempo e se estabilizando no potencial de -38,7 mV VS. Ag(s)/AgCl(s). Este resultado sugere
que o filme de nanoAu na superfície do eletrodo se auto-organizam em tempos superiores a 4000
segundos.
Após se conhecer o potencial de estabilização do nanoAu, aplicou-se este potencial
cronoamperometricamente, Figura 6, com o propósito de se obter uma auto-organização destas
nanopartículas sobre a superfície do eletrodo. A evolução da corrente em função do tempo sugere
que a auto-organização é instantânea, ou seja, a variação de corrente é quase imperceptível, -|0,15 +
0,05| nA.
Na Figura 7 os voltamogramas de SWV para o aço ABNT 304 sem e com a presença de
nanoAu, mostram que a corrente de pico anódica (Ipa) para o aço sem nanoAu é de
aproximadamente 50 µA, enquanto para o eletrodo contendo nanoAu o Ipa é de 10 µA. Isto é
devido à presença das nanopartículas de ouro, as quais minimizaram a resposta de oxidação do
eletrodo de aço, sugerindo a possibilidade da utilização do eletrodo de aço modificado com nanoAu
como sensor analítico para diversas matrizes, tais como alimentos.
Na Figura 8 verifica-se, pelo método de adição padrão, que diferentes concentrações de TM,
em meio de tampão B-R 0,1 mol L-1 (pH=4), o eletrodo de aço ABNT 304 sem nanoAu, responde
aleatoriamente em relação à Ipa e desloca o potencial de pico para valores maiores.
Na Figura 9 são apresentadas as Ipa para o eletrodo de aço ABNT 304 não modificado, com
adições de concentrações conhecidas de TM. Verificou-se a falta de linearidade, confirmando-se
que o eletrodo sem modificações não responde adequadamente como sensor analítico ao TM.
A Figura 10, os voltamogramas de SWV para o aço ABNT 304 com nanoAu, mostra que a
corrente de pico anódica (Ipa) aumenta linearmente com o aumento da concentração do TM ,
sugerindo, assim, a possibilidade deste eletrodo ser utilizado como sensor analítico.
A Figura 11 comprova os resultados da Figura 10, mostrando que as Ipa para o eletrodo de
aço ABNT 304 modificado variam linearidade com a [TM], confirmando a aplicabilidade analítica
do dispositivo em matrizes naturais.
5. Conclusões
(1) O eletrodo de aço ABNT 304 pode ser utilizado como sensor analítico na detecção do
pesticida tiofanato metílico (TM), uma vez que apresentou resposta voltamétrica satisfatória,
rápida e com relativo baixo custo de preparo do dispositivo;
(2) Somente com a auto-organização eletrocinética das nanopartículas de ouro (nanoAu) no
eletrodo de aço ABNT 304é possível a utilização como sensor analítico para o pesticida TM.
6. Agradecimentos
A CAPES, Fundação Araucária e ao CNPq pelas bolsas concedidas.
7. Referências Bibliográficas
1 BARBOSA, L. C. A. Os pesticidas, o homem e o meio ambiente. Viçosa: Universidade Federal
de Viçosa. 2004. 215 p.
2 BRITTON, H. T. S.; ROBINSON, R. A. Universal buffer solutions and the dissociation
constant of veronal. Journal of the Chemical Society, v. 2 p. 1456-1462, 1931.
3 CAETANO, J. et al Determination of carbaryl in tomato “in natura” using an amperometric
biosensor based on the inhibition of acetylcholinesterase activity. Sensors and Actuators B 129
(2008) 40–46.
4 CARDOSO, E. J. B. N.; TSAI, S. M.; NEVES, M. C. P. Microbiologia do solo. Campinas:
Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, 1992. 352 p.
5 CARVALHAL, R. F.; FREIRE, R. S.; KUBOTA, L. T. Polycristalline gold electrodes: A
comparative study of pretreatment procedures used for cleaning and thiol self-assembly
monolayer formation. Electroanalysis, v. 17, n. 14, p. 1251-1259, 2005.
6 DAN DUA, W. C.,et al Development of acetylcholinesterase biosensor based on CdTe quantum
dots modified cysteamine self-assembled monolayers. Journal of Electroanalytical Chemistry 623
(2008) 81–85.
7 GALLI, A.. Desenvolvimento e Caracterização de um Biossensor Bienzimático Imobilizado
Sobre Monocamadas Auto-Organizadas para Determinação de Açúcares em Alimentos. Tese de
Doutorado – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2009.
8 Galli, A. et al Utilização de técnicas eletroanalíticas na determinação de pesticidas em
alimentos, Quim. Nova 29 (2006) 105-112.
9 Galli, A., et al, Pendimethalin determination in natural water, baby food and river sediment
samples using electroanalytical methods, Microchem. J. 98 (2011) 135–143.
10 GATES, A.T; et al. Gold Nanoparticle Sensor for Homocysteine Thiolactone-Induced Protein
Modification. Langmuir, vol. 24, No. 8, 2008. 4107- 4113.
11 INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY (IUPAC). Glossary of
terms relating to pesticides, v. 62, n. 5, p. 1167-1193, 1996.
12 PEREIRA, A. C.; SANTOS, A. S.; KUBOTA, L. T. Tendências em modificação de eletrodos
amperométricos para aplicações eletroanalíticas. Química Nova, v. 25, n. 6, p. 1012-1021, 2002.
13 PEDROSA, V. Aet al, Acetylcholinesterase Immobilization on 3-Mercaptopropionic Acid Self
Assembled Monolayer for Determination of Pesticides. Electroanalysis 19, 2007, No. 13, 1415 –
1420.
14 RODRIGUES, P. R. P., et al,Técnica Eletrocinética ultra-rápida para aplicação de
monocamadas auto-organizáveis (SAM) em metais, INPI, BR PI0903838-8 A2, 2009.
15 SCHULZE, H.et al. Immobilization of rat brain acetylcholinesterase on ZnS and poly(indole5-carboxylic acid) modified Au electrode for detection of organophosphorus insecticides.
Biosensors and Bioelectronics, v. 17, p. 1095-1105, 2002.
16 VIEIRA, E. M. et al. Estudo da adsorção/dessorção do ácido 2,4 diclorofenoxiacético (2,4 D)
em solo na ausência e presença de matéria orgânica. Química Nova, v. 22, n. 3, p. 305-308, 1999.
___________________________________________
Autor Responsável: Andressa Galli - Universidade Estadual do Centro Oeste – UNICENTRO
Endereço: Rua Simeão Camargo Varela de Sá, CEP: 85040-080 Vila Carli, Guarapuava, Paraná.
Fone: (42) 3629 8144
E - mail: [email protected]