1
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA INFORMAÇÃO
MASSAKI DE OLIVEIRA IGARASHI
ESTUDO DA DETECÇÃO ELETROQUÍMICA, EMPREGANDO
ELETRODOS MODIFICADOS COM POLIANILINA, TENDO EM VISTA
O DESENVOLVIMENTO DE MICROSSENSORES PARA A DETECÇÃO
DE ADITIVOS ALIMENTARES
Santo André
2009
2
MASSAKI DE OLIVEIRA IGARASHI
ESTUDO DA DETECÇÃO ELETROQUÍMICA, EMPREGANDO
ELETRODOS MODIFICADOS COM POLIANILINA, TENDO EM VISTA
O DESENVOLVIMENTO DE MICROSSENSORES PARA A DETECÇÃO
DE ADITIVOS ALIMENTARES
Dissertação apresentada ao programa de
pós-graduação do Centro de Engenharia,
Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas
da Universidade Federal do ABC para
obtenção
do
título
de
mestre
Engenharia da Informação.
Área de Concentração:
Engenharia da Informação
Orientador:
Prof. Dr. Roberto Jacobe Rodrigues
Co-Orientador:
Prof. Dr. Rodrigo Reina Muñoz
Santo André
2009
em
3
Aos
meus
incondicional
pais
pelo
durante
momentos de minha vida.
Dedico
apoio
todos
os
4
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a DEUS.
Aos meus pais, minha avó e minha irmã; pelo apoio incondicional durante todos os
momentos deste trabalho e aos meus tios Roberto e Stela pelo apoio e estrutura
durante simpósio que participei.
À minha namorada Edjane por ter suportado os momentos de stress o decorrer
deste trabalho.
Aos meus orientadores Dr. Roberto Jacobe Rodrigues, Dr. Rodrigo Reina Muñoz por
terem acreditado na minha capacidade e terem lutado pelo meu trabalho.
À Universidade Federal do ABC – UFABC por ter-me concedido uma bolsa de
estudos.
Ao prof. Dr. Thiago Regis Longo Paixão pelo apoio, inclusive na fase final deste
trabalho.
Ao prof. Dr. Jairo José Pedrotti, uma referência em minha vida acadêmica; agradeço
todo apoio e suporte de seu laboratório; principalmente nos momentos em que mais
precisei e me vi desamparado.
Aos Colegas Fernando L. de Almeida, Juliana L. Cardoso, Zaira M. da Rocha e
demais integrantes do Laboratório de Sistemas integráveis – LSI – USP pela
estrutura de laboratório de sensores e colaboração; inclusive pelas publicações que
obtivemos juntos.
Aos professores Pablo A. Fiorito e Mauro C. dos Santos por terem acreditado no
meu trabalho e pelo suporte de conhecimento e estrutura laboratorial na fase final do
meu trabalho.
5
Ao prof. Dr. e amigo Edson de A. R. Barros; pelo apoio e conselhos; graças a um
conselho dele estou aqui hoje escrevendo esta dissertação de Mestrado.
Ao prof. Dr. Sergio V. D. Pamboukian, por ter sido o primeiro a acreditar na minha
capacidade e empenho acadêmico; quando me concedeu vaga de monitoria.
À Amiga Maria Regina T. Pontes, pelo incentivo e apoio desde minha vida
acadêmica e durante todo o decorrer deste trabalho, inclusive pela infra-estrutura
bibliográfica da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, sob
sua responsabilidade.
À amiga Tânia Maria, à prof. Dra. Yara e ao prof. Dr. Antônio Marcos pelo suporte e
apoio em nome da coordenação da Universidade Presbiteriana Mackenzie;
Ao amigo e Engenheiro da empresa Bevian Rodrigo da S. Temóteo pela concessão
de amostras de componentes durante o decorrer deste trabalho.
Ao amigo Pedro Sertek que em nome da empresa Labsolutions emprestou-me um
equipamento potenciostato quando mais precisei e me vi desamparado.
A Sr. Eduardo Vicente e colaboradores do ITAL (Instituto de Tecnologia de alimentos
– Campinas-SP), pelos conhecimentos e demonstração do método de análise de
sulfitos em alimentos.
À Rosana Jóias - Jundiaí por ceder um fio de ouro para testes experimentais
Ao prof. e amigo Carlos Eduardo da Silva Dantas, uma referência não somente
acadêmica, mas um exemplo de ser humano; muito obrigado por você existir!
Aos
professores
Everaldo
Venâncio
(“Pacato”)
e
Rafael
Salomão
pelos
conhecimentos e apoio.
Aos prof. Dr. Paulo A. Garcia, Lincon, Oswaldo, Kalili, Agostinho e Ivair, pelo apoio
durante toda a minha vida acadêmica e sempre que precisei.
6
Aos colegas Marcão (“Wolwerine”), Alexandre, Michel, Bruno, Thiago, Viviane e
Jackeline pelo apoio no laboratório de química analítica - Mackenzie.
Aos colegas: Julio, Juliana, Mônica, Vinícius, Guilherme, Clovis, Iorque, Rodrigo
Souza e Rodrigo Chelegão do laboratório de Eletroquímica LEMN – UFABC
Ao aluno de PDPD e colega de orientador Vinícius Lopes, pela ajuda durante o
decorrer deste trabalho.
Aos colegas mestrandos Fabiula, Julio, Wellington, Josué, Elissando, Moisés e
Márcio, companheiros da Pós-Graduação.
À todos que direta e indiretamente ajudaram neste trabalho.
“Espero não ter esquecido ninguém!”
i
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
RESUMO
“ABSTRACT”
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................1
1.1
Objetivo geral ...................................................................................................2
1.2
Objetivos específicos........................................................................................2
1.3
Organização da dissertação .............................................................................3
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................4
2.1
Figuras de mérito e sensores analíticos ...........................................................4
2.1.1 Sensibilidade ....................................................................................................4
2.1.2 Seletividade ....................................................................................................10
2.1.3 Sensores eletroquímicos: eletrodos de trabalho.............................................11
2.2
Procedimentos e técnicas para detecção de sulfito........................................11
2.3
Procedimentos e técnicas para determinação de ácido ascórbico .................13
2.4
Interação do eletrodo modificado com polianilina e o analito alvo..................13
2.5
Instrumentação eletroquímica ........................................................................15
2.5.1 Potenciostato: alguns conceitos importantes..................................................15
2.5.2 Galvanostatos.................................................................................................18
2.5.3 Efeitos da resistência da solução ...................................................................21
3
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS..........................................................24
3.1
Sensores, microssensores e células eletroquímicas utilizados ......................24
3.1.1 Sensores e microssensores ...........................................................................24
3.1.2 As células eletroquímicas utilizadas ...............................................................28
ii
3.2
Limpeza dos eletrodos e microeletrodos ........................................................29
3.2.1 Procedimento de limpeza física......................................................................30
3.2.2 Procedimento de limpeza química..................................................................31
3.2.3 Procedimento de limpeza eletroquímica.........................................................31
3.3
Modificação eletroquímica com polímeros condutores...................................33
3.4
Desenvolvimento de instrumentação para realização dos procedimentos
experimentais ............................................................................................................36
3.4.1 Micropipetador automático (DAM) ..................................................................37
3.4.2 Galvanostato para modificação eletroquímica de superfície ..........................40
3.4.3 Detector potenciométrico................................................................................42
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................45
4.1
Limpeza eletroquímica....................................................................................45
4.2
Caracterização dos microeletrodos ................................................................46
4.3
Resposta eletroquímica dos analitos alvos.....................................................47
4.3.1 Respostas eletroquímicas do eletrodo modificado com PANI a diferentes
concentrações de sulfito............................................................................................47
4.3.2 Resposta voltamétrica a diferentes concentrações de ácido ascórbico .........53
4.4
Obtenção da curva analítica ...........................................................................55
4.5
Confecção de pseudo-microeletrodos de referência ......................................60
4.5.1 A limpeza dos microeletrodos.........................................................................61
4.5.2 Deposição de prata.........................................................................................62
4.5.3 Eletrodeposição de cloreto de prata ...............................................................62
4.5.4 A reversibilidade do filme................................................................................63
5
CONCLUSÕES ..............................................................................................66
6
PERSPECTIVAS FUTURAS ..........................................................................67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................68
iii
APÊNDICE................................................................................................................73
A-
O branco eletroquímico ..................................................................................73
B-
A dupla camada elétrica .................................................................................73
ANEXOS ...................................................................................................................75
I-
Reagentes, materiais e instrumentação de laboratório ..................................75
II –
Especificações técnicas de alguns componentes...........................................79
III –
Guia de preparo da solução de Polianilina .....................................................80
IV-
Aferições do intervalo de dosagem do DAM...................................................83
V-
Válvula solenóide – especificações técnicas ..................................................85
VI –
Artigo XVII SIBEE 2009 ..................................................................................86
VII – Artigos 32ª RASBQ 2009................................................................................89
VIII – Artigo ACS / SBMICRO 2009 .........................................................................91
IX –
Artigo IEEE circuits and systems for medical and environmental applications
workshop 2009 ..........................................................................................................92
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – (a) Sinal amperométrico registrado para injeções de 0,11 mmol.L−1 de
ácido ascórbico (concentração final após cada injeção) e (b) curva analítica obtida.
(Condições experimentais: E = 0,22 V; sistema sob agitação; macroeletrodo de ouro)
[13]. .............................................................................................................................5
Figura 2 – Definição gráfica dos parâmetros de sensibilidade baseado na curva
analítica [11]. ...............................................................................................................6
Figura 3 – Regiões de concentração do analito com referência ao limite de detecção,
decisão e quantificação [11]. .......................................................................................9
Figura 4 – Aparato experimental para a realização do procedimento de MonierWilliams em amostras de batata desidratada............................................................12
Figura 5 - O amplificador operacional seguidor de tensão .......................................15
Figura 6 – A essência do novo modelo da célula eletroquímica e conexões. ...........17
Figura 7 - (a) O simples galvanostato [15] baseado no (b) circuito amplificador
inversor .....................................................................................................................20
Figura 8 – Modelo de célula eletroquímica, “dummy cell” simples (a) para sistema
não-faradaico, onde Cd é a capacitância da DCE e Ru + RΩ a rsistência da solução,
com Ru não sendo compensada. (b) para sistemas com fluxo de corrente faradaica
através de R f [15].....................................................................................................22
Figura 9 – (a) Macroeletrodo de ouro modificado com PANI; (b) microeletrodos de
ouro obtidos a partir de circuitos integrados descartados
(c) matriz de
microeletrodos de ouro..............................................................................................25
Figura 10 – (a) Microssensor microfabricado (b) Projeto do novo microssensor.......26
v
Figura 11 – Geometria e cotas do microssensor de cobre com microeletrodo de
trabalho de raio 750 µm. ...........................................................................................27
Figura 12 – Células eletroquímicas (a) comercial e (b-e) adaptadas. .......................29
Figura 13 - Limpeza eletroquímica do (a) macroeletrodo de ouro e do (b)
microeletrodo de ouro ( H 2 SO4 0,5 m.L−1 , velocidade de varredura 50 mV s −1 )...........32
Figura 14 – Voltamograma cíclico do 1º ciclo de eletropolimerização da PANI sobre
eletrodo de ouro (velocidade de varredura v = 50 mV s −1 )..........................................33
Figura 15 – Voltamogramas subseqüentes da eletropolimerização PANI (solução de
PANI
previamente
preparada)
na
superfície
dos
microeletrodos
de
ouro
( v = 50 mV s −1 ) ............................................................................................................34
Figura 16 – Resposta eletroquímica do filme de PANI em H2SO4 0,5 mol L−1 .
Comparativo entre (a) microeletrodo e (b) macroeletrodo.........................................35
Figura 17 – Consolidação final do filme de PANI em H2SO4 0,5 mol L−1 . Comparativo
entre (a)microeletrodo e (b) macroeletrodo. ..............................................................35
Figura 18 – Branco em tampão fosfato pH = 7 para (a) macroeletrodo e (b)
microeletrodo (janela de potencial -0,2 V até +0,65 V, v = 50 mV s −1 )........................36
Figura 19 – O micropipetador automático (DAM) em operação. ...............................37
Figura 20 – Fluxograma do DAM ..............................................................................37
Figura 21 – Circuito eletrônico do DAM.....................................................................39
Figura 22 – Válvulas disponíveis comercialmente para o controle de volumes muito
pequenos de amostra: (a) tipo solenóide, (b) tipo diafragma, [44]. ...........................39
vi
Figura 23 – O circuito do galvanostato desenvolvido [32, 36]. ..................................40
Figura 24 – Experimento de deposição galvânica ( Vref = 0,711 V) [32] ....................41
Figura 25 – (a) O circuito do (b) detector potenciométrico desenvolvido neste
trabalho. ....................................................................................................................43
Figura 26 – (a) O circuito elétrico do simulador de ponto final de titulação (simbologia
utilizada: R = vermelho, G = verde, B = azul) e (b) o simulador desenvolvido ..........44
Figura 27 – Voltamogramas cíclicos registrados sequencialmente (solução aquosa
de H 2 SO4 0,5 mol L−1 , v = 50 mV s −1 , microeletrodo de ouro Figura 9-b).....................45
Figura 28 – Voltamograma cíclico registrado em solução de K 3 Fe(CN ) 6 (v =
50 mV s −1 ). .................................................................................................................46
Figura 29 – Voltamograma cíclico de diferentes concentrações de sulfito de sódio em
tampão fosfato pH 7,02. ............................................................................................48
Figura 30 – Leituras (Vm) obtidas pelo multímetro durante adições consecutivas de
15,3 µL de sulfito de sódio em água deionizada utilizando DAM (15 mL de tampão
fosfato pH =7)............................................................................................................49
Figura 31 – Resposta eletroquímica esperada para o potencial ao longo do tempo
quando obtido por técnica de corrente controlada [15]. ............................................50
Figura 32 – Resposta da queda ôhmica Rc modelada pela Equação 21 com base
nas leituras obtidas para Vm para adições de sulfito. ...............................................51
Figura 33 – (a) Patamares de resistência da solução devido ao aumento linear da
concentração.............................................................................................................52
vii
Figura 34 – Resposta eletroquímica para diferentes concentrações de ácido
ascórbico (a) macroeletrodo (b) microeletrodo ( v = 50 mV s −1 ). .................................54
Figura 35 – Voltamograma de pulso diferencial obtido (tampão fosfato ph = 7). ......55
Figura 36 – (a) Resposta cronoamperométrica de microeletrodo de ouro (Figura 9-b)
sem modificação de superfície em solução tampão fosfato e a (b) Curva analítica
obtida para (E = 0,350 V, intervalo 0,01 s, tempo de duração 1600 s, branco em
tampão fosfato ph = 7). .............................................................................................56
Figura 37 -(a) Resposta cronoamperométrica do microeletrodo de Au modificado
com PANI e a (b) Curva analítica obtida (E = 0,425 V, intervalo 0,01 s, tempo de
duração 1800 s, pH = 6,0).........................................................................................58
Figura 38 – (a) Resposta cronoamperométrica do eletrodo modificado com filme de
PANI e a (b) Curva analítica obtida (E = 0,1 V, tempo de duração 180 s, pH = 6,4)
[40]. ...........................................................................................................................60
Figura 39 – Superfície de ouro do microssensor após o processo de limpeza (zoom
óptico de 10 x) [32]....................................................................................................61
Figura 40 – Filme de Ag/AgCl eletrodepositado sobre a superfície de prata para a
fabricação do eletrodo de referência (zoom óptico de 10x)......................................63
Figura 41 – Teste de reversibilidade do filme de Ag/AgCl depositado. .....................64
Figura 42 – Eletropolimerização de cloreto de prata sobre (a) prata rugora e (b) prata
menos rugosa............................................................................................................65
Figura 43 – Superfície do eletrodo recoberta com Nafion® 117: a) AgCl rugoso e b)
AgCl menos rugoso, c) e d) potenciais de referencia respectivos aos eletrodos a) e
b). ..............................................................................................................................65
Figura 44 – Gráfico de dispersão correspondente ao intervalo de dosagem do DAM
..................................................................................................................................83
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela
1
–
Simulação
numérica
de
resistores
e
capacitor
do
multivibrador
astável................................................................................................................................. 38
Tabela 2 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 35-b)...................................................................................... 57
Tabela 3 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 32-b)...................................................................................... 59
Tabela 4 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 37-a) ..................................................................................... 60
Tabela 5 – Especificações técnicas de alguns componentes selecionados com base no
“Datasheet” do fabricante..........................................................................,.......................... 79
ix
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
A
- Àmpere, unidade de corrente elétrica
Ag
- Área geométrica do eletrodo e/ou microeletrodo
C
- Concentração eletroquímica
D
- Coeficiente de difusão ou difusividade
Ge
- Eletrodo gerador
I
- Corrente elétrica
ITAL
- Instituto de Tecnologia de Alimentos;
É uma instituição de pesquisa, desenvolvimento e assistência
tecnológica da Secretaria de Agricultura e Abastecimento do Governo de
São Paulo. www.ital.sp.gov.br
Ce
- Contra-eletrodo
Re
- Eletrodo de referência
S
- Sensibilidade
SEM
- Sigla proveniente do termo em inglês “Scan electronic microscopy”, ou
microscópio eletrônico de varredura.
V
- Velocidade de varredura para método eletroquímico Voltametria cíclica
V
- Volta, unidade de potencial elétrico
Vcc
- Tensão da fonte de alimentação do circuito eletrônico
VCCI - Valor de condição de contorno inicial
Vm
- Tensão de Leitura do Detector Coulométrico
Vref
- Tensão de referência para controle da corrente do galvanostato e do
detector coulométrico
We
- Eletrodo de trabalho
x
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo para o desenvolvimento de um microssensor
para utilização em análises eletroquímicas, podendo ser empregado na detecção de
aditivos alimentares como sulfitos e ácido ascórbico. O desenvolvimento de
instrumentação eletroquímica de custo acessível como alternativa à instrumentação
comercial disponível é uma solução aos diversos problemas que surgem na
pesquisa de sensores eletroquímicos. A definição dos experimentos buscando a
modificação de eletrodos e microeletrodos, assim como a verificação da interação de
polímero condutor polianilina (PANI) com alguns analitos alvos (sulfito e ácido
ascórbico) é parte importante deste trabalho. Esta definição de experimentos
contribuiu para comprovar as vantagens da modificação superficial em detecções
eletroquímicas. Um destaque é dado as técnicas de voltametria cíclica e deposição
galvânica, ambas empregadas na deposição dos filmes finos de polianilina e
Ag/AgCl para a fabricação de macro e microeletrodos de referência; assim como o
método eletroquímico potenciometria, que é a base para o desenvolvimento de um
novo detector potenciométrico como o apresentado neste trabalho. Testes com um
microssensor microfabricado foram realizados para obter conclusões sobre os
aspectos positivos e negativos da geometria, dimensões e contatos do sensor. Isto
permitiu alguns testes com uma nova geometria para futuras implementações e
melhorias no projeto e desenvolvimento de microssensores microfabricados.
Palavras Chave: análises eletroquímicas, microssensor, microeletrodos, polianilina,
instrumentação eletroquímica de custo acessível
xi
ABSTRACT
This work presents a study for development of a microsensor for electrochemical
analysis that can be applied in detection of food additives as sulfites and ascorbic
acid. The development of low cost electrochemical instrumentation as alternative for
commercial instrumentation available is a solution for any problems that appear in
electrochemical sensors research. The definition of experiments looking for the
modification of electrodes and microelectrodes, as well as verification of the
interaction of polianiline conductor polymer (PANI) with some analytes (sulfite and
ascorbic acid) is an important part of this work. This experiments definition
contributed to prove the advantages of the superficial modification in electrochemical
detections. A highlight is done for cyclic voltammetry and galvanic deposition
techniques, both applied in deposition of polianiline and Ag/AgCl thin films for
development of reference electrodes and microelectrodes; as well as the
potentiometric electrochemical method that is a base for development of a new
potentiometric detector as the presented in this work. Tests with a microfabricated
microsensor were done to draw conclusions about positives and negatives aspects of
geometry, dimensions and microsensor contacts. It allowed some tests with new
geometry to future implementations and improvements in project and development of
microfabricated microsensors.
Key-words: electrochemical analysis, microsensor, microelectrodes, polianiline, low
cost electrochemical instrumentation
1
1
INTRODUÇÃO
Os aditivos alimentares têm uma importante atuação na conservação dos
alimentos prevenindo a ação microbial e o escurecimento enzimático [1-6]. Da
numerosa quantidade de aditivos alimentares existentes pode-se destacar: o sulfito
e o ácido ascórbico.
As frutas secas, geléias, sucos de frutas e vinhos são as principais fontes da
ingestão humana de sulfitos. Estudos relacionados à ingestão destes aditivos, em
vários países europeus, vêm alertando quanto às reações adversas em humanos,
tais como: broncoespasmos em indivíduos asmáticos sensíveis a sulfitos e até
mesmo distúrbios neurológicos [4-5].
Já o ácido ascórbico apresenta propriedades conservantes e antioxidantes,
grande importância no que tange à saúde humana [7]. Além do interesse da
indústria de cosméticos para tratamentos anti-envelhecimento [8].
Portanto,
torna-se
bastante
interessante
a
proposta
de
métodos
eletroquímicos para a detecção destes aditivos alimentares. A escolha destes,
dentre os diversos métodos existentes, deve-se ao fato dos equipamentos
necessários às análises apresentarem, principalmente, menor custo que os de
outros métodos (por exemplo, cromatografia).
Também se destaca a portabilidade e automatização do sistema (por
exemplo, os analisadores portáteis de glicose). Os métodos eletroquímicos ainda
permitem a análise em amostras independente de sua coloração (por exemplo,
permitirem análise de glicose em sangue), além disso, os limites de detecção são,
em geral, inferiores aos obtidos com as técnicas espectrofotométricas, por exemplo.
Acrescentar a miniaturização de dispositivos à escolha de métodos
eletroquímicos é justificado pela forte tendência da química analítica, devido a
vantagens como a exploração de um domínio microscópico, bem como a medição
de perfis de concentração local, detecção em sistemas microfluídicos e análises de
volume muito pequenos de amostra (nanolitros) [7, 9-10].
Outro aspecto também motivador para o desenvolvimento deste trabalho
está em sua característica multidisciplinar, onde áreas de conhecimento como:
química analítica, físico-química e eletrônica convergem possibilitando estudos que
2
almejam a melhora no projeto e desenvolvimento de um microssensor eletroquímico
para detecção de aditivos alimentares.
1.1
Objetivo geral
Contribuir para o desenvolvimento de novos dispositivos sensores.
1.2
Objetivos específicos
a. Verificar, experimentalmente, a interação de superfícies de eletrodos e de
microeletrodos de ouro modificadas por eletropolimerização de polianilina
(PANI), com sulfito de sódio ( Na 2 SO3 ) e ácido ascórbico.
b. Realizar testes experimentais com um microssensor microfabricado a fim
de propor alterações na geometria que possibilitarão um melhor projeto de
microfabricação.
c. Estudar e compreender conceitos relacionados à detecção eletroquímica.
d. Desenvolver
instrumentação
eletrônica
que
auxilie
nas
etapas
experimentais relacionadas ao desenvolvimento de um sensor eletroquímico
3
1.3
Organização da dissertação
Os próximos capítulos deste trabalho são estruturados da seguinte forma:
Capítulo 2:
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo são apresentados os conceitos básicos relacionados ao
desenvolvimento de microssensores eletroquímicos, aos métodos de análise de
aditivos alimentares; assim como os conceitos que norteiam a modificação
eletroquímica de superfície eletródica e também os conceitos fundamentais ao
desenvolvimento da instrumentação eletroquímica deste trabalho.
Capítulo 3: PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo são apresentados os procedimentos experimentais que têm
como objetivo explorar melhorias no projeto e desenvolvimento de um microssensor
eletroquímico que emprega microfabricação.
Capítulo 4: RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados, as conclusões em relação a alguns dos procedimentos, além
da instrumentação eletroquímica desenvolvida neste trabalho são apresentados
neste capítulo.
Capítulo 5: CONCLUSÕES
As
conclusões
finais
com
relação
ao
trabalho
desenvolvido
são
apresentadas neste item; onde são destacadas as melhorias e resultados, podendo,
inclusive, auxiliar no projeto e no desenvolvimento de microssensores eletroquímicos
microfabricados melhores do que os que já existem.
Capítulo 6: PERSPECTIVAS FUTURAS
Finalmente, após a revisão bibliográfica, os procedimentos experimentais e o
desenvolvimento de instrumentação objetivando, além da redução de custos e a
automatização do processo de sensoriamento, são apresentadas as perspectivas
futuras com relação a este trabalho, buscando a continuidade e o progresso, não
somente do que já foi desenvolvido, mas também de futuras pesquisas.
4
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo são apresentadas algumas figuras de mérito relacionadas ao
desenvolvimento de microssensores eletroquímicos, aos métodos de análise de
aditivos alimentares e à modificação eletroquímica da superfície eletródica. Também
são apresentados conceitos importantes para o desenvolvimento da instrumentação
eletroquímica empregada neste trabalho.
2.1
Figuras de mérito e sensores analíticos
2.1.1 Sensibilidade
De maneira resumida, pode-se definir sensibilidade como a razão entre a
variação do sinal causada por uma mudança na entrada. Em métodos analíticos, a
sensibilidade consiste na habilidade de um instrumento detectar quantidades
reduzidas de um analito numa amostra.
Analiticamente, sensibilidade pode ser expressa através de vários
parâmetros [11].
A forma mais amplamente aceita para expressar a sensibilidade, S, é a
“variação do sinal analítico, x, com a concentração do analito, C”, que pode ser
expressa em termos [11]:
• Absoluto: S =
x
C
• Diferencial: S =
δx
δC
• Incremental: S =
∆x
∆C
Para se obter a sensibilidade é importante que o sinal seja exclusivamente
devido à presença do analito, ou seja, na ausência de sinais espúrios denominados
ruído de fundo (podem ser obtidos durante o branco eletroquímico (ver apêndice A).
A mais notável mudança produzida por uma pequena variação na concentração do
analito será a sensibilidade. A sensibilidade pode ser expressa graficamente através
da curva analítica.
5
2.1.1.1
A curva analítica
A curva analítica (também conhecida como curva de calibração [12]) é um
gráfico x = ϕ (C ) construído a partir de dados obtidos numa série de testes onde o
processo analítico é aplicado a n amostras (geralmente amostras artificiais)
contendo concentrações crescentes do analito.
O gráfico muitas vezes apresenta um perfil de escada (Figura 1) [13], cujos
patamares fornecem os pontos que podem ser linearizados para uma equação de
reta (Equação 1 e 2).
Ou seja, a partir do gráfico cronoamperométrico ou cronopotenciométrico, é
possível tomar a média dos valores da corrente de cada patamar da escada e
relacioná-lo com a respectiva concentração; gerando um novo gráfico corrente vs
concentração, que deverá apresentar um comportamento linear; de onde será
extraído o valor da sensibilidade a partir do coeficiente angular da reta gerada.
70
Corrente, µA
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
Tempo, s
(a)
1000
1200
1400
(b)
Figura 1 – (a) Sinal amperométrico registrado para injeções de 0,11 mmol.L−1 de ácido
ascórbico (concentração final após cada injeção) e (b) curva analítica obtida. (Condições
experimentais: E = 0,22 V; sistema sob agitação; macroeletrodo de ouro) [13].
Sinal ( x) = sensibilidade( s ).Concentração + int erceptação
(1)
Sinal ( x) = S * C + xB
(2)
A Figura 2 exibe um gráfico deste tipo. A porção central cabe na expressão
algébrica anterior.
6
Figura 2 – Definição gráfica dos parâmetros de sensibilidade baseado na curva analítica
[11].
A sensibilidade será, portanto, o coeficiente angular da porção linear central
da curva (Figura 1-b). Uma amostra que não contém o analito produz um sinal
analítico xB devido ao sinal do branco eletroquímico (ver apêndice A). A curva de
calibração consiste de três partes distintas, descritas a seguir:
a) Em mínimas concentrações de analito ( S = 0 ), o mesmo não pode ser
detectado ou determinado. Se o branco não propicia sinal, então a curva
intercepta a origem [11]; porém, caso contrário, permanece a importância de
descontar sinal do branco dos outros valores obtidos na presença da mostra.
b) Em concentrações intermediárias de analito, a sensibilidade não é zero
( S > 0 ). Neste caso, uma variação dinâmica é atribuída ao menor limite, que
é o limite de detecção. Esta variação constitui-se de três sub-regiões. Na
central, S permanece constante; esta é então denominada “variação linear”,
que está limitada às outras duas regiões (onde decresce e cresce,
respectivamente). O menor limite da variação linear define as coordenadas
para o limite da quantificação. O limite superior da variação linear é
alcançado quando o desvio da linearidade (x’ – x”) se iguala ou excede 0,03
vezes x’ (o valor onde a linearidade começa); se o desvio é grande, então a
curva declina para fora da variação linear [11].
7
c) Em maiores concentrações de analito, o sinal não varia muito com a
concentração ( S = 0 ) e a curva é paralela a parte inicial – em maior nível de
sinal; isto porque ocorreu a saturação do sinal.
A definição quantitativa da sensibilidade é completada por diversos
parâmetros que determinam a mínima concentração que pode ser detectada ou
determinada [11].
2.1.1.2 Limite de detecção
Corresponde a concentração do analito C LOD que produz um X LOD que
pode ser estatisticamente distinguido do ruído de fundo. Este parâmetro é
quantificado em experimentos preliminares envolvendo a medição de n brancos para
obter uma média e seu desvio padrão ( σ B ). Por convenção, [11] define o limite de
detecção como (Equação 3):
x LOD = x B + 3σ B
(3)
Um sinal X LOD é, portanto, produzido por uma concentração C LOD que pode
ser calculada pela extrapolação gráfica.
Se o sinal de fundo é zero (ou seja, se o intercepto x B = 0 ), então, é válida a
equação 4.
x LOD = x B + 3σ B = 0 + 3σ B
(4)
A Interpolação deste sinal na curva analítica fornece a equação 5.
x LOD = (−3σ B ) = 0 + SC LOD
(5)
Das equações 4 e 5, obtêm-se a relação entre essas duas formas de
expressar a sensibilidade (Equação 6):
8
C LOD =
x B + 3σ B
S
(6)
Se x B > 0 , então o sinal para o limite de detecção será obtido pela equação
6 fornecida anteriormente.
A interpolação deste sinal na curva analítica (Equação 7) propicia a relação
entre a sensibilidade e o limite de detecção C LOD (Equação 8)
x LOD = ( x B + 3σ B ) = x B + SC LOD
C LOD =
3σ B
S
(7)
(8)
Pelo fato de S não ser constante ao longo da porção inicial da curva, esta
expressão é apenas aproximada. A relação entre C LOD e S depende do valor do
sinal de fundo.
2.1.1.3 O limite de quantificação
É definido como a concentração do analito C LOD que produz um sinal x LOQ
que pode ser considerado como o menor limite da variação linear. Sua expressão
matemática (Equação 9) é também baseada no processamento estatístico sinal ou
corrente de fundo (corrente de fundo é tudo que se pode medir na ausência do
analito):
x LOQ = x B + 10σ B
(9)
Esse, portanto, um valor acima do limite de detecção ( C LOQ > C LOD ). Sua
relação com a sensibilidade pode ser estabelecida similarmente ao limite de
detecção (Equação 10):
9
C LOD =
10σ B
S
(10)
Um estudo abrangente da sensibilidade rende um ensaio de hipóteses
estatísticas, uma descrição detalhada vai além do escopo deste trabalho, sendo que
maiores detalhamentos podem ser encontrados em [11].
Alguns autores também denominam limite de decisão, CLD, o valor de
concentração que está entre os parâmetros anteriores (Equação 11).
x LD = X + 6σ B
(11)
A Figura 3 ilustra a região cega (do inglês “blind region”), a região de decisão,
de detecção e região de quantificação, que resultam em três tipos de limite numa
escala de concentração do analito que está relacionada com a escala do sinal do
analito e ao sinal de fundo através das expressões anteriores.
Figura 3 – Regiões de concentração do analito com referência ao limite de detecção,
decisão e quantificação [11].
10
• Na região cega ( 0 < C < C LOD ), o analito não pode ser detectado nem
determinado; como o sinal obtido não é estatisticamente diferente do sinal
branco ou ruído de fundo do instrumento de medição.
• Na região de detecção ( C LOD < C < C LOQ ), o analito pode ser detectado,
porém não quantificado com precisão desde que C esteja inserido na
variação linear.
• A região de quantificação ( C < C LOQ ) é a região abrangendo a variação
linear da curva de calibração.
• Finalmente, a região de decisão ( C LOQ > C > C LD ) é a região que engloba
concentrações entre os limites de detecção e determinação – mas deve ser
mais próximo ao limite de determinação, senão propicia uma detecção
qualitativa menos confiável do analito.
2.1.2 Seletividade
A seletividade é outro parâmetro analítico muito importante. Ela é definida
como “habilidade de produzir resultados exclusivamente dependentes do(s)
analito(s) para sua identificação ou quantificação na amostra” [11].
Para compreender melhor esta propriedade, será escolhido um método
eletroquímico qualquer, por exemplo, amperométrico [14-15]; que consiste
basicamente na detecção do analito desejado através da aplicação de um potencial
elétrico de valor constante ao longo do tempo.
Supondo que o analito responda a um valor de potencial positivo E1 , e se
por se tratar de uma amostra real e complexa, certamente existirão outras espécies
(interferentes) que provocarão uma alteração no sinal deste analito porque
respondem num potencial E 2 = E1 + ∆E muito próximo do valor E1 . Uma alternativa
muito comum para se evitar o acréscimo no sinal analítico devido a respostas
dessas espécies interferentes é tornar o método mais seletivo através de artifícios
11
como, por exemplo, a modificação da superfície do eletrodo (ver item 3.3 deste
trabalho).
O analito de interesse que antes respondia num valor E1 de potencial, agora
responderá num valor E1' , geralmente um potencial menos positivo que E1 , o que
certamente evitará que as espécies que antes interferiam no sinal passem a não
interferir mais.
2.1.3 Sensores eletroquímicos: eletrodos de trabalho
Partindo da definição de eletrodo como sendo um condutor em cuja
superfície ocorre transferência de elétrons a partir ou para a solução que está ao seu
redor, verifica-se, a disponibilidade de uma ampla variedade de metais que podem
ser empregados como eletrodos de trabalho [14-16]. Também podem ser utilizados
carbono vítreo e diferentes formas de grafite.
A platina (Pt) e o ouro (Au) (considerados metais nobres) apresentam uma
posição de destaque como materiais eletródicos nas detecções eletroquímicas. O
principal motivo é o fato de tais eletrodos oferecerem uma cinética de transferência
de elétrons muito favorável e uma grande janela de potencial de oxidação [9, 12, 1416].
Apesar de apresentarem uma baixa sobretensão de hidrogênio, que,
dependendo do valor de pH, limita a janela de potencial de redução; comparados
aos eletrodos de platina, os de ouro são mais inertes, daí serem mais propensos a
formação de filmes de óxido estáveis ou contaminação superficial [14-16].
Portanto, o problema, associado à utilização desse metal nobre, é a
ocorrência de elevadas correntes de fundo, associadas à formação de óxidos de
superfície. Tais filmes também podem mudar a cinética da reação eletródica [9].
2.2
Procedimentos e técnicas para detecção de sulfito
Existem diversos procedimentos analíticos que utilizam soluções ácidas ou
básicas na determinação da quantidade de sulfitos (total e livre) em alimentos;
muitos desses baseiam-se no princípio da conversão das várias formas de sulfito a
dióxido de enxofre [4-5].
12
O procedimento de Manier-Williams (Figura 4), o primeiro utilizado para a
determinação de sulfitos em alimentos e bebidas, ainda é muito utilizado atualmente;
este tipo de procedimento tem sido realizado no Instituto de Tecnologia de Alimentos
(ITAL), por exemplo, em amostras de batatas desidratadas.
O procedimento de Monier-Williams baseia-se na separação e quantificação
do dióxido de enxofre da matriz alimentar, através do aquecimento com ácido
clorídrico por um tempo estimado de 1h45min. à 2 horas. Este dióxido de enxofre
liberado é então coletado em uma solução de peróxido de hidrogênio, onde é
oxidado a ácido sulfúrico e, em seguida, titulado com solução de hidróxido de sódio.
A quantidade de ácido sulfúrico gerada está relacionada diretamente com a
concentração de dióxido de enxofre; com isso pode-se quantificar os sulfitos totais
no alimento, que correspondem ao sulfito livre mais uma fração dos sulfitos ligados
[4].
Figura 4 – Aparato experimental para a realização do procedimento de Monier-Williams em
amostras de batata desidratada.
Para a quantificação de sulfitos, com base na literatura, destacam-se: a
cromatografia iônica, análise por injeção de fluxo – FIA [4-6, 14-16], destilação
Monier-Williams com modificações [4-6], destilação Monier-Williams otimizada pelo
FDA [4-6], eletroforese capilar [14-16], FIA com detecção fotométrica [4-6], titulação
coulométrica com iodo [4-6, 14-16], detecção amperométrica utilizando eletrodo de
13
cobre [4-6, 14-16], detecção de sulfito livre e ligado utilizando cromatografia de alta
eficiência – CLAE com detector de ultra violeta e biossensor amperométrico [4-6].
2.3
Procedimentos e técnicas para determinação de ácido ascórbico
No caso do ácido ascórbico (AA), também existem diversas técnicas e
procedimentos utilizados para sua determinação; dentre os quais, destacam-se:
técnicas eletroanalíticas, cromoatografia, espectrofotometria e titulação. Porém, as
técnicas eletroanalíticas apresentam vantagens frente às espectrofotométricas,
principalmente quando se deseja determinação em amostras complexas, como urina
e sangue. Isto é porque apresentam maior seletividade e possibilidade de se
trabalhar com amostras coloridas; além de seu custo ser bem menor quando
comparados às técnicas cromatográficas [7, 14].
Devido à composição complexa pode existir, em algumas amostras, uma
grande quantidade de substâncias interferentes; por isso, são apresentadas
alternativas vantajosas como a modificação da superfície de eletrodos com a
finalidade de diminuir a energia requerida (energia de ativação) para o processo de
oxidação do(s) analito(s) [9, 14-16].
2.4
Interação do eletrodo modificado com polianilina e o analito alvo
Os filmes poliméricos, empregados na modificação eletródica, são
classificados como: condutores, de troca iônica, não condutores e de membrana
composta [18].
A eletrocatálise, fenômeno que ocorre em filmes condutores como a
polianilina (PANI) [18-19], consiste na diminuição da energia de ativação de
transferência de elétrons numa célula eletroquímica [18, 20] e no aumento da
velocidade de reação, conseqüentemente, um aumento expressivo da corrente
mensurada (nas técnicas de controle de potencial).
Uma importante conseqüência é a redução do valor do potencial de
detecção para um determinado analito nas técnicas de controle de potencial.
Dos benefícios alcançados pela eletrocatálise da PANI, destacam-se [18-22]:
14
• Aumento da sensibilidade (Amplificação do sinal de oxidação do sulfito e
do ácido ascórbico);
• Aumento na seletividade (diminuição do potencial redox de detecção);
• Aumento na estabilidade do sensor e/ou microssensor;
• Aumento na reprodutibilidade da detecção;
Basicamente, a eletrocatálise possibilita que o processo redox em um
substrato, que apresenta uma cinética de transferência de elétrons lenta na
superfície eletródica, seja mediado por um sistema que acelera a troca de elétrons
com o eletrodo e o substrato, acarretando na redução do sobrepotencial de ativação
e, portanto, no aumento da velocidade da reação [18].
No caso da PANI, com a inversão da varredura de potencial (mudança de
varredura anódica para catódica) o polímero passa a oxidar também, ou seja, já não
mais se oxida somente o analito em questão (sulfito e/ou ácido ascórbico). Quando o
polímero atinge seu estado mais oxidado, se ainda houver a forma oxidada do ácido
ascórbico ou a do sulfito, a tendência é que o analito (sulfito e/ou ácido ascórbico)
reaja novamente com o polímero [18].
O ponto chave é que no início existe apenas ouro, polianilina (PANI) e o
analito em questão (sulfito e/ou ácido ascórbico). Ao se iniciar a varredura anódica,
ou seja, caminhar-se para valores de potenciais mais positivos, esse analito será
adsorvido na superfície do eletrodo, onde existe PANI e ouro; só que no ouro, o
analito não irá oxidar até que se atinja um determinado valor de potencial.
Paralelamente, o polímero (neste caso PANI) que também está sendo
oxidado começa alterar sua forma redox atingindo o estado de oxidação
denominado esmeraldina [19-22]; neste momento o polímero começa a reagir
também com o sulfito e o ácido ascórbico; ou seja, o polímero oxida no potencial
menor (aumenta a seletividade do sensor) e amplifica o sinal (aumenta a
sensibilidade do sensor) assim catalisando a oxidação do(s) analito(s) em questão.
Portanto, a eletrocatálise possibilita a melhora da atividade do sensor [19-22].
Por exemplo, ao se utilizar ouro puro, a resposta não será a mesma que no caso de
modificação com o polímero. Outra vantagem alcançada com a modificação de
superfície é que quando se utiliza apenas ouro como material de eletrodo sem
nenhuma modificação, com o passar do tempo, pode adsorver alguma espécie na
superfície do ouro e tornar o processo irreversível, ou seja, a vida útil de um sensor
15
e/ou microssensor sem modificação é geralmente menor que um modificado; que
também apresenta um aumento na repetibilidade do processo de detecção [18].
Dependendo da concentração do analito em questão, a tendência é que a
maior parte do analito reaja totalmente com a PANI, não com a superfície do ouro,
por isso o processo torna-se mais reversível [19-22], aumentando a reprodutibilidade
da detecção.
Em um primeiro momento, poderia se pensar em aumentar a janela de
potencial, porém, é possível inferir que potenciais mais positivos que +0,9 V
aumentam a chance de danificar o eletrodo de ouro devido à sua oxidação [13].
2.5
Instrumentação eletroquímica
2.5.1 Potenciostato: alguns conceitos importantes
Com relação à Figura 5, é de particular interesse a corrente de polarização
(do inglês “bias current”, I b ) finita (embora muito reduzida) [20] que fluirá através
dos terminais de entrada e uma “tensão de offset” que existirá entre este mesmos
terminais. Esta última, certamente, causará uma diferença entre os valores de
potencial de entrada ( Ei ) e saída ( E o ). Para muitas aplicações eletroquímicas é
desejável que esta diferença seja menor ou no máximo igual a 1 mV [15, 16]. Se
uma resistência (Rr) é colocada na realimentação, a corrente de polarização
também criará uma diferença entre Ei e E o através de I b e Rr.
Rr
Ib
Eo
U1
+
0.000
V
-
Ei
Figura 5 - O amplificador operacional seguidor de tensão.
,
16
Alguns amplificadores operacionais, em virtude da reduzida corrente de
polarização requerida (por exemplo, os componentes LM741, LF351 e MCP6042),
da ordem de 10 −9 A, necessitam de um valor de resistor Rr que certamente não
excederá 1 MΩ para criar 1 mV de erro [15, 16]. Estes apresentam até mesmo,
correntes de polarização menores que 100 fA , como o caso dos componentes
MCP6042 (da fabricante Microchip) e AD549L (da Analog Devices); este último já foi
muito utilizado até algum tempo atrás por alguns fabricantes de potenciostatos. Tais
amplificadores são, no entanto, eminentemente úteis para a construção de
medidores de pH e medidores de potencial, em eletrofisiologia, onde eletrodos de
impedância muito pequenas são geralmente usados [15].
As especificações técnicas de alguns componentes que foram testados
neste trabalho podem ser vistas e comparadas (ver Anexo II).
De acordo com a literatura técnica consultada, é altamente recomendado
introduzir os eletrodos de tal forma que o eletrodo de referência fique muito próximo
do eletrodo de trabalho e ambos, o mais longe possível do eletrodo auxiliar. Porém,
o porquê disso, usualmente, não é bem compreendido. Este foi um dos motivos
pelos quais um novo modelo de circuito para célula eletroquímica e conexão com o
potenciostato foi elaborado, diferente do encontrado em muitas das referências
consultadas [15, 16, 22].
O novo modelo (Figura 6) apresenta, além de alguns elementos de circuito
presentes em um potenciostato, o circuito equivalente da célula eletroquímica [22],
que está inserido entre estes eletrodos de maneira que se tenha uma idéia desta
distância e também de alguns dos fatores envolvidos num experimento
eletroquímico (o carregamento da DCE, a impedância devido aos processos
faradáicos ( Z f ), a resistência compensada e não compensada da solução, implícitas
pela resistência da solução ( Ru + RΩ ); estes fatores são a principal causa desta
dificuldade de compreensão dos modelos existentes.
17
Figura 6 – A essência do novo modelo da célula eletroquímica e conexões.
A essência deste modelo constitui-se do circuito gerador de sinais (por
exemplo, onda triangular para o método voltamétrico), das suas conexões
(simbolizadas pelo círculo, triângulo e quadrado) para os eletrodos (trabalho,
referência e auxiliar) além do circuito conversor corrente tensão.
O uso de um circuito conversor corrente-tensão é justificado pelo fato da não
necessidade de minimizar o efeito da presença da resistência interna, assim como
quando se utiliza amperímetros para a medição de corrente. Bem como a existência
de conversores analógico/digital (conversores A/D), cujo princípio é a amostragem
de valores de tensão para possibilitar a conversão do meio analógico para o meio
digital.
Além disso, é muito fácil estabelecer uma relação entre a corrente e a
tensão amostrada, pois a explicação, encontrada facilmente na teoria que explica o
circuito amplificador operacional conversor corrente/tensão [23] nada mais é que a
aplicação das leis de Kirchhoff e de Ohm.
Foi introduzido ao modelo um potenciômetro ( Rm ), pois dependendo do valor
da corrente, é preciso que haja uma alteração do valor da resistência para que o
ganho, além de não exceder a capacidade máxima de saída do amplificador
operacional, possa fornecer um valor de tensão amostrado coerente como o fundo
de escala do gráfico (alguns potenciostatos comerciais apresentam a seleção
automática de valores para Rm ).
Segundo explicado por KISSINGER, P. T. [16], a saída do conversor, Eo , é
uma função da corrente aplicada pela reação eletródica ( Eo = −iRm ). Normalmente, a
18
corrente é medida através da utilização de um resistor ( Rm ) para fazer a conversão
em tensão. O circuito é mais sensitivo quando o valor de Rm é alto.
Para qualquer valor de corrente, Rm não pode ser tão alto a ponto de − iRm
exceder a máxima tensão de saída do operacional (tipicamente ±14 V).
Adicionalmente, a corrente i (como determinado pela concentração das espécies
eletroativas, pela área do eletrodo de trabalho, convecção da solução, etc) não pode
exceder a capacidade de corrente do amplificador (tipicamente ±10mA). Se o
potenciostato (ou “amplificador de controle”) e o conversor corrente-tensão tiverem
diferentes capacidades de corrente, a corrente i não pode exceder imax do
amplificador operacional [15].
2.5.2 Galvanostatos
Em algumas técnicas eletroquímicas como a voltametria cíclica e a
cronoamperometria, o potencial do eletrodo é controlado, enquanto a corrente é
determinada em função do tempo. Já nos experimentos galvanostáticos (técnica
denominada cronopotenciométrica, ou simplesmente técnicas galvanostáticas) a
corrente passa a ser a grandeza controlada (freqüentemente mantida constante) e o
potencial determinado em função do tempo [15].
Não é possível controlar simultaneamente ambas, a corrente e o potencial
do eletrodo, e apenas a corrente aplicada à célula eletrolítica pode ser diretamente
definida no experimento [16]. Controlar a corrente através da célula é tão simples
quanto controlar o potencial no eletrodo, porque apenas dois elementos da célula, os
eletrodos de trabalho e auxiliar, são envolvidos no circuito de controle [15].
A principal aplicação do equipamento galvanostato é manter constante a
corrente forçada aplicada à célula eletrolítica, mudando o potencial aplicado à célula,
até que a corrente seja estabilizada ao valor previamente definido. Logo, isto permite
o controle da carga e da velocidade da reação [14-16].
Com a possibilidade do controle da carga, basta fixar a área do eletrodo o
qual será submetido ao transporte de carga e também estabelecer o tempo que
torna possível o controle da densidade de corrente; isto é extremamente importante
durante um processo de eletropolimerização de polímeros intrinsecamente
condutores em processo de modificação da superfície.
19
O potencial é então determinado pela composição da solução de
polimerização e pela cinética do sistema. Portanto, os parâmetros experimentais,
especialmente a densidade de corrente, devem ser cuidadosamente configurados
com o objetivo de se prevenir a super-oxidação do polímero condutor e a
decomposição do material bioativo [22].
Outra vantagem de se ter o controle da densidade de corrente é que a
condição de contorno da superfície passa a ser baseada em correntes ou fluxo
conhecidos (ou seja, apenas pelo gradiente de concentração) na superfície do
eletrodo; enquanto nos métodos de controle de potencial, as concentrações em x = 0
(como função de E) propiciam as condições de contorno. Devido a este fato a
matemática envolvida na solução das equações de difusão para problemas de
corrente controlada são muito mais simples, e soluções analíticas podem ser mais
facilmente obtidas [15].
Os métodos de controle de corrente podem ser de muito valor quando o
processo que está sendo estudado é o processo de fundo (do termo inglês
“background process”). Trabalhar com processo de fundo no modo de controle de
potencial é geralmente difícil [15].
Tal como a formação de elétrons solvatados no líquido ou a redução de um
íon num solvente aprótico (um solvente aprótico é aquele que não pode doar íons
H + , geralmente tem elevada constante dielétrica e elevada polaridade). Além de
permitir a determinação da espessura de filmes metálicos através da redissolução
anódica (do termo em inglês “anodic stripping”) com corrente constante.
Nos experimentos galvanostáticos, geralmente, o interesse é o potencial do
eletrodo de trabalho, mas medi-lo com um simples multímetro causaria uma fuga de
corrente da célula. Como na maioria destes experimentos, principalmente aqueles
que envolvem microssensores, a corrente total é inferior a alguns microampères, um
circuito conhecido como seguidor de tensão [20] pode ser acrescentado para
permitir a medição do potencial do eletrodo de trabalho sem drenar uma corrente
substancial da célula.
Um dos mais conhecidos galvanostatos (Figura 7), apresentado na literatura
[14-16, 25], fundamenta-se na mistura dos conceitos de amplificador operacional
inversor e do conceito de “terra virtual” [15-16, 23, 26].
20
R2
icell
R
Ei
iin
n=0 V
U1
Eo
+
0.000
V
-
(b
Figura 7 - (a) O simples galvanostato [15] baseado no (b) circuito amplificador inversor.
O conceito conhecido como “terra virtual” consiste no fato de que caso se
tenha um amplificador operacional de alto ganho, este ganho faz com que o
potencial de uma das entradas do amplificador operacional se aproxime do valor da
outra entrada. Logo, quando uma entrada está fisicamente em potencial terra, então
esse potencial é transferido à outra entrada; ou seja, esta outra entrada está em
“terra virtual”.
Pode-se afirmar que o amplificador operacional inversor apresentará um
ganho que corresponde à relação entre as resistências ( R2 ) e ( R1 ), mais um erro;
explicado pela Equação 12.
−
Eo
R
= − 2 + erro
Ei
R
(12)
Este erro deve ser considerado porque os parâmetros I b , ganho e
resistência de entrada mudam conforme o tipo de amplificador operacional. Na
prática, estes são alguns dos fatores que fazem com que um componente tenha um
valor comercial maior que o de outro.
Para o desenvolvimento deste tipo de galvanostato a resistência de
realimentação do circuito do amplificador inversor ( R2 ) da Figura 7-b é substituída
pela célula eletroquímica (Figura 7-a). Ou seja, os dois pontos de conexão da
resistência R2 agora correspondem ao eletrodo gerador e o eletrodo auxiliar.
Com o conceito do terra virtual e com base na Equação 12, pode-se explicar a
corrente da célula eletroquímica ( icell ) da Figura 7-a [15] através da equação 13.
21
icell =
Eo
e
= iin = − i + erro
R2
R
(13)
Logo, a corrente que fluirá pela célula é controlada pelos parâmetros: tensão
de entrada ( Ei ), resistência (R) e erro.
2.5.3 Efeitos da resistência da solução
Apesar dos efeitos da resistência da solução serem mais críticos para
macroeletrodos, seu entendimento é muito útil até mesmo para que o usuário tenha
um melhor domínio dos equipamentos que irá utilizar. O impacto da resistência da
solução em tais experimentos é substancial e envolve diversas considerações.
Em eletrólise total (do termo em inglês “bulk electrolysis”), a corrente flui num
alto nível pelo fato da área do eletrodo ser ampla e o transporte de massa ser efetivo.
Logo, em experimentos de transientes rápidos, altos pulsos de corrente são
encontrados porque a variação da tensão sobre a resistência da solução durante um
curto intervalo de tempo (dE/dt) apresenta um valor muito elevado durante a
medição.
Existe também uma componente capacitiva para a corrente, que apesar de
aparentar ser ínfima, também pode causar uma sobrecarga no equipamento devido
ao elevado valor de corrente necessária (ver Equações 14 e 15) a esta variação
infinitesimal de carga (dq) durante este intervalo pequeno de tempo (dt).
C = 2 µF =
i=
2 µC
1V
dq 2µC
=
= 2A
dt 1µs
(14)
(15)
Ou seja, a maneira de se impor um passo de 1 V durante 1µs, num eletrodo
que tem uma capacitância interfacial, C = 2 µF , a corrente média ( i ) neste período
terá valor 2A. Este pico de corrente pode ser muito elevado, a ponto de causar uma
sobrecarga.
22
Assim, o potenciostato precisará ter um adequado dimensionamento, em
termos de potência, para suprir esta necessidade de corrente, mesmo que elas
sejam exigidas apenas momentaneamente [15]. Em situações de corrente elevada,
a tensão de saída do potenciostato, em geral, é aplicada sobre a resistência da
solução Ru + RΩ , (Figura 8) [15] e pode facilmente exceder 100 V (valor explicado
pela Lei de Ohm).
Os limites de fornecimento do potenciostato estão relacionados ao termo
compliância (do termo em inglês “compliance”), ou seja, compliância de corrente (ou
máxima corrente fornecida) e compliância de tensão. A potência do potenciostato é
o produto dessas duas grandezas [15-16].
Célula
Eletroquímica
Célula
Eletroquímica
Ce
Ce
RΩ
RΩ
Eref
Eref
Re
Re
Ru
Ru
Ereal
Cd
Rf
Cd
We
We
(a)
Ereal
(b)
Figura 8 – Modelo de célula eletroquímica, “dummy cell” simples (a) para sistema nãofaradaico, onde Cd é a capacitância da DCE e Ru + RΩ a rsistência da solução, com Ru não
sendo compensada. (b) para sistemas com fluxo de corrente faradaica através de R f [15].
23
De uma forma prática, podem-se impor as seguintes regras [15]:
• Sempre que a corrente de compliância é ultrapassada, existe um erro de
controle de potencial devido à resistência não compensada;
• Se uma corrente catódica flui, o verdadeiro potencial do eletrodo de
trabalho é menos negativo que o valor nominal pela soma; o contrário é
mantido para uma corrente anódica;
• Até pequenos valores de Ru , tal como 1 a 10 Ω, pode causar um amplo
erro de controle quando correntes substanciais fluem. Esta é uma razão
porque eletrosíntese de larga escala (do termo inglês “large-scale
electrosynthesis”) não é geralmente realizada potenciostaticamente.
Neste âmbito, controlar a densidade de corrente é geralmente mais prático e
muito vantajoso por possibilitar o controle da velocidade da reação, pois é sabido
que ter o controle da corrente é o mesmo que ter o controle da quantidade de carga
no tempo. Esta é mais uma aplicação para o equipamento galvanostato
desenvolvido no âmbito desta pesquisa.
24
3
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo são apresentados os sensores, microssensores, as células
eletroquímicas e as etapas de limpeza. Também é apresentada a instrumentação
eletroquímica desenvolvida para utilização neste trabalho.
Muitos dos experimentos foram realizados concomitantemente para
macrossensores e microssensores para que permitisse uma comparação constante
entre ambos. Esta escolha é útil porque permite não só justificar os benefícios da
miniaturização, da modificação de superfície eletródica e da microfabricação, mas
também apresentar uma alternativa à necessidade de microscopia para as
verificações superficiais dos microssensores [7].
Logo,
ao
se
verificar
visualmente
as
modificações
ocorridas
nos
macrossensores e se conhecer os perfis padrões nos gráficos de respostas, torna-se
possível identificar e comparar resultados, assim como obter conclusões. A
microscopia associada a outros métodos de caracterização eletroquímica é
importante para obter informações mais precisas.
3.1
Sensores, microssensores e células eletroquímicas utilizados
3.1.1 Sensores e microssensores
O primeiro de todos os sensores utilizados foi um macrossensor
apresentado na Figura 9-a, gentilmente cedido por ALMEIDA, L. F 1 e confeccionado
conforme descrito na literatura [13, 27] pela técnica “Silk-screen” utilizando como
matéria prima pasta de ouro DuPont® 5142 [13].
A área geométrica aproximada do macroeletrodo de trabalho de ouro em
substrato de alumina (43 mm de comprimento por 17 mm de largura) na qual o filme
de PANI foi eletrodepositado é de aproximadamente 20 mm2 (Figura 10-a).
1
ALMEIDA, F. L. de. Desenvolvimento de um sensor eletroquímico planar modificado
com 1-2 Diaminobenzeno (DAB) para monitoração de nitrito por FIA-automatizada. Dissertação
de mestrado – USP, 2009.
25
(a)
(b)
(c)
Figura 9 – (a) Macroeletrodo de ouro modificado com PANI; (b) microeletrodos de ouro
obtidos a partir de circuitos integrados descartados (c) matriz de microeletrodos de ouro.
26
(a)
(b)
Figura 10 – (a) Microssensor microfabricado (b) Projeto do novo microssensor.
O segundo tipo, uma matriz de microeletrodos obtida a partir de desgaste
físico da camada de baquelite de circuitos integrados, foi confeccionado conforme
descrito na literatura [28]. A Figura 9-b exibe os microeletrodos da matriz
curtocircuitados por um conector e conectados a um plug banana. Optou-se por
curtocircuitar todos os microeletrodos deste circuito integrado para que haja um
aumento no valor absoluto da resposta de corrente; porém, os mesmos podem ser
acessados individualmente através da disposição da Figura 9-c.
Após todos os testes comparativos em escala macro e micro, a partir de
microssensores confeccionados com um baixo custo é possível seguir adiante com o
processo de microfabricação, tomando como base o trabalho descrito em [30].
27
Destaca-se que o microssensor microfabricado (Figura 10-a) foi cedido pelo
professor Dr. Marcelo Bariatto para testes numa colaboração entre as instituições
UFABC e Laboratório de Sistemas Integrados – LSI da Escola Politécnica da USP
[31-32].
Com base nos aspectos positivos e negativos da geometria, um dos grandes
problemas constatados nos experimentos com este microssesor microfabricado, foi a
dificuldade de conexão ente os contatos de dimensão micrométrica e macrométrica,
inclusive a extrema necessidade de cuidado no manuseio do usuário para que não
ocorressem danos irreparáveis ao mesmo. Por isso, confeccionou-se um novo
microssensor (Figura 10-b) para testes da nova geometria.
A Figura 10-b apresenta o novo microssensor desenvolvido a partir de uma
placa de fenolite, que estabelece uma boa união entre as das dimensões macro e
micro, não necessitando soldagem de fios para interligar contatos do microssensor
com o suporte de fenolite. Observa-se que a metodologia de fabricação por placa de
fenolite é apenas para teste de geometria e dimensão do sensor; a mesma poderá
ser substituída pelo novo projeto de microssensor empregando tecnologia de
microfabricação nos próximos trabalhos a serem desenvolvidos.
É possível utilizar eletrodos de cobre para detecções amperométricas [33].
Mesmo sabendo das limitações que a utilização do material cobre (Cu) impõe se
comparadas ao ouro e platina (por exemplo, menor janela de potencial e rápida
oxidação em meios ácidos) foram desenvolvidos microeletrodos de cobre a partir de
placas de fenolite utilizando processo de serigrafia, através do qual uma tela
serigráfica com a geometria proposta neste trabalho foi projetada e constitui-se de
dois diferentes raios de eletrodo de trabalho, microeletrodos na ponta com raio
geométrico 375 µm, e também raio um pouco maior (750 µm) (Figura 11).
Figura 11 – Geometria e cotas do microssensor de cobre com microeletrodo de trabalho de
raio 750 µm.
28
Observa-se como uma alternativa viável à utilização deste microssensor
desenvolvido com placa de fenolite a eletrodeposição de platina ou ouro sobre o
cobre, possibilitando uma maior janela de potencial e também a vantagem de serem
materiais mais inertes que o cobre; pois não são facilmente oxidados com a umidade.
Após confeccionado o microssensor, é necessário impermeabilizar os
demais contatos acessíveis e indesejados para que fique exposta, ao contato com a
solução, apenas o pequeno raio do eletrodo de trabalho, as geometrias circulares
dos eletrodo de referência e auxiliar e os contatos com conector (Figura 10-b).
Sugere-se a utilização de resina epóxi para impermeabilização.
Muito cuidado deve ser tomado no momento do procedimento de isolação
das superfícies metálicas indesejadas, para que não sejam imobilizados também os
eletrodos de trabalho, referência e auxiliar. Recomenda-se a utilização de pontas de
micropipetas para a proteção do microeletrodo de trabalho.
É importante mencionar que esta geometria foi desenvolvida neste trabalho
com base em geometrias utilizadas anteriormente [13, 34].
3.1.2 As células eletroquímicas utilizadas
Foram utilizadas várias células eletroquímicas, muitas delas até mesmo
modificadas para que permitisse a introdução do macroeletrodo. A Figura 12 exibe
cinco das células utilizadas na etapa experimental deste trabalho.
O eletrodo de referência utilizado nos experimentos de voltametria,
amperometria e cronoamperometria foi o de prata/cloreto de prata em solução
saturada de KCl 3 M, cuja simbologia utilizada neste trabalho será apenas Ag/AgCl.
Para contra eletrodo, foi utilizado um fio de platina (Figura 12-d), além de
micro e macro-eletrodos de ouro e também um bastão de grafite.
29
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 12 – Células eletroquímicas (a) comercial e (b-e) adaptadas.
3.2
Limpeza dos eletrodos e microeletrodos
Antes de realizar qualquer trabalho experimental com o sensor e/ou
microssensor, é necessário eliminar todos os tipos de partículas que possam estar
adsorvidas na superfície do(s) eletrodo(s) a ser(em) utilizado(s); este procedimento
de limpeza física, química e eletroquímica (de forma consecutiva)
também é
conhecido como ativação de superfície [13]. Cada uma das etapas do procedimento
de limpeza é descrita em detalhes a seguir.
30
A adsorção de espécies eletroativas na superfície do eletrodo (algumas
vezes denominada como “adesão de sujeiras no eletrodo”) ocorre de forma
freqüente. Tal adsorção pode inibir uma reação eletródica (por exemplo, a formação
de uma camada de impedimento que bloqueia uma parte da superfície do eletrodo),
ou também acelerar uma reação eletródica.
Segundo explicado por BARD, A. J. [15], em muitos estudos de eletrodos
sólidos, observa-se uma lenta mudança da resposta eletroquímica com o tempo, que
pode ser atribuída ao aumento de impurezas na superfície eletródica numa taxa
limitada pela sua difusão do seio da solução.
A ativação da superfície eletródica acarreta no aumento da área superficial
eletroativa; ou seja, diferente da área geométrica do eletrodo (área calculada
analiticamente pelas coordenadas cartesianas) a área eletroativa corresponde a
toda porção superficial que de fato reage numa reação eletroquímica; logo, é muito
importante que a área superficial eletroativa seja sempre maior ou pelo menos igual
à área geométrica do eletrodo.
A afirmação de ser pelo menos igual deve-se ao fato de que muitas vezes,
com o intuito de tornar prático e em ocasiões por limitações de tempo, não são
realizadas as caracterizações eletroquímicas necessárias para obter o valor correto
da área superficial eletroativa e, portanto, os cálculos para a densidade de corrente
são aproximados pela área geométrica do eletrodo.
3.2.1 Procedimento de limpeza física
A limpeza física da superfície eletródica permite eliminar impurezas
adsorvidas fisicamente pela própria manipulação ou pela exposição ao ambiente. As
etapas a seguir têm por base o procedimento de limpeza sugerido por ALMEIDA, F.
L. [13]:
• Enxágüe em água deionizada durante aproximadamente 5 minutos;
• Remoção de imperfeições (homogeneizar a superfície) com a
seqüência de lixas d’água número: 1200, 2000 e 2500;
• Polimento mecânico utilizando um feltro impregnado em alumina
coloidal 0,05 µm, por meio de 30 movimentos em forma de 8 ou até
31
observar a superfície brilhante e homogênea através de um
microscópio óptico, por exemplo;
• Enxágüe com água deionizada durante aproximadamente 1 minuto.
3.2.2 Procedimento de limpeza química
O procedimento de limpeza química [32] consiste da utilização de uma
mistura: ácido nítrico 0,5 mol L−1 , peróxido de hidrogênio (“água oxigenada”) e álcool
isopropílico, em proporção 1:1:1.
Após o preparo da mistura, deve-se imergir o microssensor na solução
preparada durante 100 segundos a fim de eliminar os componentes orgânicos. Em
seguida, rinsar água deionizada novamente.
Este tratamento resulta numa superfície, visualmente, mais homogênea e
brilhante.
3.2.3 Procedimento de limpeza eletroquímica
A limpeza eletroquímica permite a eliminação efetiva dos materiais
adsorvidos, inclusive àqueles devido às forças de atração intermoleculares. Logo,
após este e todos os procedimentos anteriores, é observado que existe um aumento
da área superficial eletroativa.
Para o procedimento de limpeza eletroquímica, deve ser utilizado ácido
sulfúrico (0,1 ou 0,5 mol L−1 ). Este ácido é considerado um ácido forte e com elevada
capacidade de dissociação e formação de íons hidrogênio; além do fato da ação
complexante do sulfato formado e que auxilia no processo de limpeza [13].
Devido à necessidade da ocorrência da oxidação eletroquímica (corrosão)
de uma camada muito fina de ouro sob potenciais não muito mais positivos que
+ 0,8 V vs Ag/AgCl e da formação de hidrogênio na superfície do eletrodo em
potenciais mais negativos, ALMEIDA, F. L. [13] recomenda a utilização da janela de
potencial entre +0,9 e -0,9 V vs Ag/AgCl, ressaltando que em potenciais maiores que
+0,9 V pode ocorrer danos na superfície do ouro.
32
Porém, devido a testes bem sucedidos, neste trabalho foi utilizado durante
diversas vezes, a janela de potencial -0,2 V até +1,6 V vs Ag/AgCl. Os resultados do
processo de limpeza eletroquímica estão melhor explicados no item 4.1 deste
trabalho.
O perfil do gráfico obtido durante a limpeza eletroquímica devido ao
processo redox que ocorre com o ácido sulfúrico na presença do ouro, também é útil
para evidenciar se o material do eletrodo é ou não ouro policristalino, cujo perfil é
bastante conhecido [35].
A resposta, através do processo eletroquímico redox do ácido sulfúrico, para
macro-eletrodo de ouro (Figura 13-a), e microeletrodo de ouro (Figura 13-b) pode
ser realizada em solução aquosa de ácido sulfúrico com concentração molar de 0,1
a 1,0 mol L−1 , sendo comum a utilização de valores baixos de concentração por
razões de segurança, evitando assim o manuseio de substâncias ácidas mais
concentradas.
Através da Figura 13-a, pode-se notar a oxidação do óxido de ouro no
potencial +1,3 V e a redução do mesmo em aproximadamente +0,85 V.
(a)
(b)
Figura 13 - Limpeza eletroquímica do (a) macroeletrodo de ouro e do (b) microeletrodo de
ouro ( H 2 SO4 0,5 m.L−1 , velocidade de varredura 50 mV s −1 ).
Para este procedimento deve ser utilizado o método eletroquímico
voltametria cíclica sob velocidade de varredura 30 ou 50 mV s −1 e janela de potencial
-0,20 até +1,60 V.
Observa-se também que a escala de corrente medida através do
macroeletrodo (área geométrica aproximada 20 mm2) foi na escala de microampères,
enquanto que a escala da corrente do microeletrodo (área geométrica aproximada
25 µm2 [28] foi nanoampères, ou seja, a redução nas dimensões do eletrodo
33
acarreta uma diminuição do valor da corrente de pico conforme comportamento
previsto pela equação de Randles-Sevick (Equação 19) [13].
3
1
i p = (2,69 .105 )n 2 AD 2Cυ
1
2
(19)
Onde n é o número de elétrons transferidos durante a reação, A é a área do
eletrodo, D o coeficiente de difusão (ou difusividade) da espécie eletroativa, C a
concentração da espécie eletroativa no seio da solução e v é a velocidade de
varredura.
A limpeza eletroquímica é evidenciada através da diminuição das correntes
de pico anódica e catódica, por exemplo, entre os potenciais 0 V e 0,4 V,
comprovando a eficiência deste processo de limpeza para eventuais “sujeiras” que
poderiam interferir na resposta do sensor em qualquer potencial contido neste
intervalo.
3.3
Modificação eletroquímica com polímeros condutores
O filme de polianilina (PANI) pode ser eletropolimerizado sobre o eletrodo de
ouro por meio de voltametria cíclica, através dos seguintes passos:
Passo 1: início da eletropolimerização
Deve-se realizar apenas 1 ciclo com a janela de potencial variando de -0,20
até 0,95 V e velocidade de varredura 50 mV s −1 (Figura 14).
Figura 14 – Voltamograma cíclico do 1º ciclo de eletropolimerização da PANI sobre eletrodo
de ouro (velocidade de varredura v = 50 mV s −1 ).
34
Utilizar solução de polianilina 0,1 mol L−1 diluída em meio ácido sulfúrico
0,5 mol L−1 (o procedimento para preparação da solução encontra-se no anexo deste
trabalho).
O primeiro ciclo deve ser numa janela de potencial maior que os demais ciclos
de deposição para que a primeira camada formada possa agir de forma a catalisar a
formação das demais camadas do filme.
Passo 2: eletropolimerização
Os demais ciclos de deposição devem ser realizados com a janela de
potencial -0,20 até +0,80 V (Figura 15).
Figura 15 – Voltamogramas subseqüentes da eletropolimerização PANI (solução de PANI
previamente preparada) na superfície dos microeletrodos de ouro ( v = 50 mV s −1 ).
Observa-se que a espessura do filme eletropolimerizado é proporcional à
quantidade de ciclos de deposição. Logo, uma das formas de se manipular a
espessura e qualidade do filme a ser depositado é através de um maior ou menor
número de ciclos. Neste trabalho foram executados diferentes ciclos de deposição
(20, 30 e 50), porém, não foram realizadas análises qualitativas e caracterização
morfológica do filme depositado para se avaliar a qualidade do mesmo.
35
Passo 3: Verificação da estabilidade do filme
Após a eletrodeposição, o filme de PANI deve ser consolidado através de 10
ciclos de voltametria cíclica com janela de potencial -0,20 até 0,45 V (Figura 16). A
mesma figura apresenta um comparativo entre microeletrodo e macroeletrodo.
Observa-se que a escala de corrente foi a mesma porque neste caso, optou-se por
curtocircuitar todos os microeletrodos disponíveis na matriz do microssensor (Figura
9-b) para que o processo ocorresse, ao mesmo tempo, para todos os microeletrodos,
reduzindo o tempo total do experimento.
(b)
(a)
Figura 16 – Resposta eletroquímica do filme de PANI em H2SO4 0,5 mol L−1 . Comparativo
entre (a) microeletrodo e (b) macroeletrodo.
Seguidos de 2 ciclos de janela de potencial -0,2 até +0,75 V (Figura 17) em
solução aquosa de H2SO4 0,5 mol L−1 .
(a)
(b)
Figura 17 – Consolidação final do filme de PANI em H2SO4 0,5 mol L−1 . Comparativo entre
(a)microeletrodo e (b) macroeletrodo.
36
Passo 4: Branco em tampão fosfato pH 7,0.
Consolidado o filme, deve-se primeiramente obter a resposta eletroquímica
numa solução tampão fosfato pH=7,0; este procedimento é conhecido como branco
eletroquímico (ver Apêndice A). Posteriormente, deve-se obter a resposta às
diferentes concentrações do analito alvo, neste mesmo tampão. A resposta
eletroquímica para o “branco” deve ser realizada com intervalo de potencial -0,20 até
+0,60 V, conforme pode ser observado na Figura 18.
(b)
(a)
Figura 18 – Branco em tampão fosfato pH = 7 para (a) macroeletrodo e (b) microeletrodo
(janela de potencial -0,2 V até +0,65 V, v = 50 mV s −1 ).
Ressalta-se a importância de se observar o valor do pH da solução, pois o
mesmo pode alterar o estado de oxidação da polianilina [21-22].
3.4
Desenvolvimento de instrumentação para realização dos
procedimentos experimentais
Conforme já mencionado anteriormente, com o intuito de adquirir certa
independência dos equipamentos comerciais como potenciostato e micropipeta,
assim como a importância da automatização do processo de detecção foram
desenvolvidos um micropipetador automático e um galvanostato. Um detector
coulométrico ainda está em projeto e desenvolvimento.
37
3.4.1 Micropipetador automático (DAM)
O
desenvolvimento
de
um
micropipetador
automático
(Figura
19),
denominado DAM, ocorreu devido a necessidade de eliminar o erro intrínseco que
ocorre durante os experimentos para obtenção da curva analítica através da técnica
eletroquímica conhecida como cronoamperometria. Este erro está associado ao
manuseio do aparato e a importância de obter melhor reprodutibilidade nos
procedimentos.
Figura 19 – O micropipetador automático (DAM) em operação.
A idéia para o desenvolvimento do DAM partiu do princípio de um circuito
gerador de sincronismo (multivibrador astável) [23].
Figura 20 – Fluxograma do DAM.
A Figura 20 exibe um fluxograma do micropipetador automático explicando
as letras destacadas na Figura 19.
Desde que alimentado por uma tensão DC de +5 V, o multivibrador astável
gera uma saída que oscila entre dois níveis lógicos instáveis, ou seja, entre
aproximadamente +5 V e 0 V, correspondente a uma onda quadrada digital. Porém,
38
a grande vantagem deste tipo de circuito não é gerar este tipo de onda, mas a
facilidade com a qual uma simples mudança de resistores pode ser capaz de alterar
o ciclo de trabalho, também conhecido como ciclo de meia onda (do inglês “duty
cycle”) desta forma de onda; ou seja, a porcentagem que o intervalo de duração do
nível lógico 1 (+5 V) representa em relação ao período total da onda.
Em outras palavras, afirmar que uma onda de freqüência 1Hz apresenta duty
cycle de 50% corresponde ao fato de que o nível lógico 1 fica ativo durante 500 ms e
o nível lógico 0 durante os restantes 500 ms.
O que se fez foi simular, numericamente, os valores destes resistores e
capacitores (Tabela 1) com base nas equações fornecidas por [23].
Tabela 1 – Simulação numérica de resistores e capacitor do multivibrador astável.
Componentes
C (F)
Rb forçado
Ra forçado
t1 (s)
t2 (s)
VALORES NOMINAIS
1,00E-05
1,50E+05
5,60E+06
1,04E+00
3,98E+01
=10uF
=150K
=5,6M
=1,04s
=40s
VALORES REAIS
(±5% Erro)
1,05E-05
1,58E+05
5,88E+06
1,15E+00
4,39E+01
Após a obtenção dos valores reais com erros estimados (considera-se um
erro de pelo menos 5% devido a componentes e instrumentos utilizados) (Tabela 1),
pode-se construir o circuito eletrônico do DAM (Figura 21) com valores de
componentes próximos aos da Tabela 1. Observa-se também que o controle digital
do multivibrador precisa ser introduzido, por exemplo, num componente eletrônico
conhecido como relè, que funcionará como uma chave para ligar e desligar a tensão
de alimentação 12VDC necessária ao acionamento da válvula solenóide (Figura 22).
O circuito do DAM também apresenta uma chave seletora (dosa/limpa) que
irá selecionar entre fornecer a alimentação 12VDC de forma ininterrupta ou
controlada pelo circuito multivibrador; isto permite que seja realizada uma limpeza
dos canais de transporte do analito de A até C (ver fluxograma Figura 20).
39
12V
VCC
Chave Seletora
Dosa/Limpa
Relè 5V
Multivibrador Astável
1
32
Key = S
AK
L1
1N4007
1 2
L2
5MΩ
Ra
C1
K
C2
EMR121B05
Contato NF01
LMC555CN
NE555
VCC
C
VCC
2 1
12
B
10kΩ
DIS
THR
150kΩ
Rb
12V
E
OUT
21
5V
RST
BC548B
TRI
CON
10uF
10nF
1
21
21
GND
Figura 21 – Circuito eletrônico do DAM.
Concluído o circuito, resta apenas a escolha correta da válvula solenóide a
ser utilizada (ver anexo). Neste trabalho foi utilizada uma válvula solenóide 12 V de
duas vias (entrada e saída); porém, pode-se optar pela utilização de outros tipos
(Figura 22-b), inclusive válvulas com 3 vias; podendo então acrescentar ao sistema
um bombeamento forçado por uma bomba peristáltica ou simplesmente uma bomba
de aquário [7].
(a)
(b)
Figura 22 – Válvulas disponíveis comercialmente para o controle de volumes muito
pequenos de amostra: (a) tipo solenóide, (b) tipo diafragma, [44].
40
A Figura 22 apresenta os dois tipos de válvulas que se enquadram nas
especificações necessárias para o controle de volumes muito pequenos de
substâncias químicas. Destaca-se a necessidade da válvula ser de material inerte; o
material da válvula deve ser selecionado adequadamente para que não ocorram
danos à mesma.
3.4.2 Galvanostato para modificação eletroquímica de superfície
Ao se projetar um galvanostato, deve-se primeiro escolher um componente
que introduza o menor erro possível. Como já explicado anteriormente, uma das
grandes vantagens de se utilizar um galvanostato é a possibilidade de se ter o
controle da densidade de corrente; ou seja, da densidade de carga que fluirá pela
célula.
O mérito deste trabalho em relação ao desenvolvimento deste circuito
(Figura 23) está no fato de ter se baseado no conceito de terra virtual, porém não
utilizá-lo como de fato é definido. Ou seja, ao invés de introduzir na entrada positiva
(ponto P) do amplificador operacional inversor de tensão o pino comum da fonte de
alimentação de forma que no ponto “s” exista um “zero virtual” e introduzir um
potencial controlado estável no ponto “T”; decidiu-se fazer exatamente o inverso [3132, 36-37]. Isto permitirá uma melhora adicional, por exemplo, a inclusão de um
conversor Digital/Analógico permitindo não só um controle mais preciso dos ajustes
da densidade de corrente, mas também uma possível automatização para deixar
este galvanostato autônomo.
V: 714 mV
V(dc): 714 mV
I: 10.0 nA
P
100kΩ
Key=A14%
Vref
Anodo
5V
1MΩ
Key=S
5%
Rsolução
OPAMP_3T_VIRTUAL
+
0.714
Catodo
V
-
DC 20MΩ
Multímetro
V: 715 mV
V(rms): 0 V
V(dc): 715 mV
I: 715 nA
s
1MΩ
Rajuste
V: 715 mV
I: 705 nA
T
Figura 23 – O circuito do galvanostato desenvolvido [32, 36].
41
Conforme já explicado anteriormente, ao se fixar o valor de Rajuste para 1MΩ,
o valor da corrente a ser controlada (i) pelo galvanostato corresponderá ao valor
( Vref ) (Figura 24) dividido por 1x106 , conforme comprova a Equação 20.
i=
Vref
0,714
=
= 714nA ± Erro
1 MΩ 1 x106 Ω
(20)
Os valores simulados apresentam uma corrente controlada de 705 nA, ao
invés do valor nominal esperado, isto equivale a um erro de aproximadamente
1,26%. Isto já era esperado porque a simulação, realizada no software NI MultiSim
10.0, foi configurada para erro de resistência de 1% e demais características do
amplificador operacional conforme folha de dados (“datasheet”) do componente
eletrônico AD549.
Em uma situação real, conforme comprovado pelos experimentos práticos
realizados (Figura 24), nem sempre se tem disponível um componente da qualidade
do AD549, além de se somarem erros devido ao instrumento multímetro utilizado e
eventuais deslocamentos (do inglês “drift”) de temperatura do amplificador
operacional, assim como erro devido às conexões, é esperado que o valor do erro
prático seja de até 10%.
Figura 24 – Experimento de deposição galvânica ( Vref = 0,711 V) [32].
42
3.4.3 Detector potenciométrico
Com o objetivo de eliminar a necessidade de um potenciostato, necessário
às etapas de eletropolimerização de PANI, limpeza e detecção eletroquímica, foi
testado, ainda em sua fase inicial de projeto e desenvolvimento, um detector
potenciométrico (Figura 25) que agrega, em sua essência, o circuito do galvanostato
desenvolvido neste trabalho.
O circuito foi inspirado no trabalho publicado por [38] e tem por base as
titulações potenciométricas [14-16], que são realizadas através de uma fonte de
corrente constante (galvanostato), responsável por perceber as variações de
corrente de uma célula e responder por meio de um aumento do potencial aplicado à
célula até que a corrente seja restabelecida ao seu valor inicial. Uma característica
primordial a dispositivos desta natureza é a necessidade de uma eficiência de 100 %
para o controle de corrente desenvolvido pelo galvanostato, evitando efeitos de
polarização indesejáveis ao processo [14].
Para que seja possível o conhecimento da carga do processo, é necessário
que se tenha o conhecimento do tempo de realização do processo e da corrente
controlada [14-16].
No caso das titulações potenciométricas acorrente controlada, diferente dos
métodos de controle de potencial, o eletrodo de trabalho agora passa a ser
denominado eletrodo gerador (Ge) [14], pelo fato de fornecer a corrente controlada à
célula de titulação; porém, ainda existe a presença do contra eletrodo (ou eletrodo
auxiliar) (Ce).
Outra característica muito importante a ser ressaltada é que as titulações
potenciométricas requerem um meio de se determinar quando a reação entre o
analito e o reagente se completa (ponto final da titulação) [14-16]. Uma das formas
de se determinar este ponto final da titulação é através do método fotométrico;
detectando a mudança de coloração (região espectral do visível) que pode ser
facilmente detectada por fotossensores ou até mesmo por um dispositivo eletrônico
denominado LDR (do termo inglês “light dependent resistors”), como no caso deste
trabalho.
43
(a)
Bloco Fonte
de Alimentação
Bloco amplificador inversor de tensão
Bloco Multímetro
10kΩ
R1
Vcc
-12V
LF351N
Galvanostato
Vc
U2
10kΩ
R1
Vm
12V
Bloco galvanostato
12V
5V
Vcc
100kΩ
Key=A
50%
Vref
Vc
U1
+
1.580k
+
LF351N
Galvanostato
-12V
Vref
Ce
10Ω
1kΩ
Rajuste
4.093m
-
Ge
A
DC 1e-009Ω
-
V
DC 10MΩ
1Ω
10MΩ
Key=C
50%
RI
(b)
Figura 25 – (a) O circuito do (b) detector potenciométrico desenvolvido neste trabalho.
44
Ou seja, um detector potenciométrico irá fornecer a corrente controlada à
célula de titulação até que o ponto final da titulação ocorra; quando o mesmo pode
ser detectado e o circuito possa tomar a decisão de desligar o processo.
Assim, se duplicado, este circuito pode ao mesmo tempo fornecer variações
de potencial (Vm) correspondentes à queda ôhmica da solução [14] causada pela
transferência de massa, podendo relacionar a concentração com a resposta de
potencial e também detectar um valor de potencial correspondente à variação de
coloração de uma amostra.
Como o detector potenciométrico ainda está em fase inicial de projeto e
desenvolvimento, foi provisoriamente confeccionado um simulador de ponto final
(Figura 26) que consiste de três LEDs (vermelho, R; Verde, G; Azul, B) dispostos
frente a um LDR, podendo ser selecionados por uma chave denominada “dip switch”.
Os LEDs e o LDR foram acondicionados em uma pequena caixa preta (Figura 26-b)
para eliminar efeitos de reflexão da luz.
(a)
(b)
Figura 26 – (a) O circuito elétrico do simulador de ponto final de titulação (simbologia
utilizada: R = vermelho, G = verde, B = azul) e (b) o simulador desenvolvido.
45
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados da etapa de
limpeza eletroquímica, assim como a caracterização dos microeletrodos, as
respostas eletroquímicas dos analitos, a obtenção da curva analítica, a confecção
dos microssensores de referência e os resultados de utilização da instrumentação
eletroquímica desenvolvida neste trabalho.
4.1
Limpeza eletroquímica
Através da Figura 27, pode-se notar, por exemplo, que na varredura anódica,
entre os valores de potencial +0,2 e +0,3 V ocorre uma diminuição do valor da
corrente de pico, evidenciando a remoção de eventuais impurezas que podem
interferir na resposta do sensor e/ou microssensor.
Aproximadamente no valor de potencial +1,35 V, ocorreu a oxidação do
óxido de ouro e em aproximadamente +0,85 V, a redução do mesmo, completando o
processo redox do ouro, mas sem danos à superfície do sensor e do microssensor.
Figura 27 – Voltamogramas cíclicos registrados sequencialmente (solução aquosa de
H 2 SO4 0,5 mol L−1 , v = 50 mV s −1 , microeletrodo de ouro Figura 9-b).
46
Logo, após este e todos os outros procedimentos anteriores de limpeza
(física e química) propicia-se o aumento na área superficial eletroativa [13]. Como
conseqüência, é possível notar, através do gráfico obtido após 50 ciclos de limpeza,
onde foram sobrepostos apenas dois destes, que ocorre uma diminuição dos valores
de corrente de pico anódica devido às impurezas e um aumento da corrente de pico
catódica devido ao processo eletroquímico de redução do ouro; comprovando a
eficiência da limpeza eletroquímica, associada aos demais procedimentos descritos
anteriormente.
Observa-se a necessidade da realização de uma caracterização morfológica
da superfície através de microscópio eletrônico de varredura, microscópio de força
atômica ou até mesmo microscópio eletroquímico para uma constatação mais
precisa deste aumento de área superficial eletroativa; porém, não foi possível a
realização de tais experimentos neste trabalho.
4.2
Caracterização dos microeletrodos
Após o procedimento de limpeza do microeletrodo, descrito na seção 3.2, foi
realizada uma voltametria cíclica em solução de hexacianoferrato de potássio
( K 3 Fe(CN )6 ) e através desta foi obtido o perfil sigmoidal, característico para
microeletrodos (Figura 28) [7, 28, 29, 39].
Figura 28 – Voltamograma cíclico registrado em solução de K 3 Fe(CN ) 6 (v = 50 mV s −1 ).
47
Uma das utilidades de se obter a resposta eletroquímica dos microeletrodos
de ouro em solução de hexacianoferrato de potássio é o cálculo do raio geométrico
eletroativo do microeletrodo de ouro; e conseqüentemente, a obtenção do valor da
área eletroativa.
O valor do raio geométrico pode ser obtido a partir do valor da corrente no
estado estacionário [7]. Neste caso, o valor obtido para o raio geométrico eletroativo
deste microeletrodo foi de 20,5 µm; logo, o valor da área geométrica eletroativa de
cada microeletrodo desta matriz de microeletrodos (Figura 9-b e 9-c) é
aproximadamente 1,32 x 10−9 m 2 .
4.3
Resposta eletroquímica dos analitos alvos
Estes experimentos foram realizados para verificar a habilidade da
polianilina para eletrocatalisar a oxidação do sulfito e do ascorbato em solução com
pH = 7,0, com base nas afirmações contidas na literatira [4], onde sugere-se a
utilização de eletrodos modificados com polianilina para a análise de ascorbato, pH
variando de 5,5 até 7,2.
No intervalo de valores de pH descrito, a polianilina se apresenta em sua
forma não dopada e não condutora; logo, eletrodos modificados com polianilina são
conhecidos por catalisarem processos eletroquímicos redox de espécies orgânicas e
inorgânicas, acarretando uma diminuição do potencial de oxidação da espécie de
interesse devido à ação eletrocatalítica da polianilina; permitindo sua utilização em
eletrodos modificados para detecção amperométrica dessas espécies [13].
4.3.1 Respostas eletroquímicas do eletrodo modificado com PANI a diferentes
concentrações de sulfito
A resposta eletroquímica a diferentes concentrações de sulfito de sódio foi
obtida através dos métodos voltamétrico e potenciométrico [14-16]. Porém, por
limitações de tempo, o método potenciométrico foi utilizado apenas para a detecção
usando eletrodos de ouro sem modificação de superfície; sendo necessária esta
realização para os trabalhos futuros a serem desenvolvidos.
48
4.3.1.1 Resposta voltamétrica a diferentes concentrações de sulfito
Para a resposta voltamétrica do eletrodo modificado com PANI a diferentes
concentrações (32,2 mM; 47,6 mM; 62,5 mM; 76,9 mM) (Figura 29) foi previamente
preparada uma solução estoque de sulfito de sódio de concentração 1,0 mol L−1 .
Inicialmente foram separados três béqueres, adicionando-se um volume de
30 mL de tampão fosfato em cada béquer, para em seguida serem adicionados os
volumes previamente calculados para o preparo das referidas concentrações.
Destaca-se a importância do preparo das diferentes concentrações somente
no momento das medições pelo fato do sulfito oxidar facilmente com o oxigênio do
ar atmosférico, sendo recomendada a utilização de gás carreador N2 para que o
oxigênio não interfira na análise.
Figura 29 – Voltamograma cíclico de diferentes concentrações de sulfito de sódio em
tampão fosfato pH 7,02.
49
A resposta eletroquímica a consecutivas adições de solução estoque de
sulfito de sódio (concentração 1,0 mol L−1 ) foi obtida através da utilização de um
equipamento potenciostato comercial e macrossensor da Figura 9-a.
Através da Figura 29, nota-se que a partir do potencial +0,05 V,
aproximadamente, ocorre resposta para adições de sulfito, porém, é no potencial
+0,15 V, aproximadamente, que o sinal de corrente de difusão torna-se
independente do potencial aplicado. Nota-se que os todos os pontos exprimem a
variação linear das adições de sulfito.
4.3.1.2 Resposta potenciométrica a diferentes concentrações de sulfito
A resposta eletroquímica a consecutivas adições de solução estoque de
sulfito de sódio (concentração 0,1 mol L−1 ) obtida através da utilização do detector
potenciométrico, do micropipetador automático DAM e do microssensor da Figura
10-b, é exibida na Figura 30.
O perfil da resposta de potencial da Figura 30 está invertido em relação ao
perfil normalmente esperado (Figura 31); principalmente por causa do modelo
analítico deste circuito explicado pela Equação 21. Outro fator importante a ser
considerado neste caso é que os valores do potencial Vm, para este modelo, sejam
sempre em valor absoluto (ou seja, desconsidera-se o sinal); pois, os cabos do
multímetro podem ser posicionados de maneira invertida pelo operador.
Figura 30 – Leituras (Vm) obtidas pelo multímetro durante adições consecutivas de 15,3 µL
de sulfito de sódio em água deionizada utilizando DAM (15 mL de tampão fosfato pH =7).
50
Figura 31 – Resposta eletroquímica esperada para o potencial ao longo do tempo quando
obtido por técnica de corrente controlada [15].
 (V + 5) − 2Vref
Rc = Rajuste  m
2Vref


Vm − 5 
 = 1 KΩ 
 10 

(21)
O modelo analítico (Equação 21) para a queda ôhmica da solução (Rc) [14]
da célula, a ser detectada pelo circuito detector potenciométrico foi desenvolvido
com base no circuito da Figura 25-a e fundamenta-se na teoria de amplificadores
operacionais [23]. A partir deste mesmo circuito, também é possível relacionar o
valor do potencial Vm com os valores de potenciais Vc e Vcc , modelados pela
Equação 22.
Vm = 2Vc −Vcc
(22)
Onde Vcc é a tensão da fonte de alimentação do circuito.
O circuito parte do princípio de que um galvanostato deve ser capaz de
perceber as variações causadas pela alteração da queda ôhmica da solução ( Rc ) e
responder por meio de um aumento ou redução do potencial aplicado à célula ( Vc )
até que a corrente seja restabelecida ao seu valor programado [15]. Esta variação
de potencial, Vc , é introduzida na entrada não inversora do amplificador operacional
U2 (Figura 25), que após subtrair o valor de tensão fixada pela fonte de alimentação
( Vcc ), através Equação 22, exibe o valor Vm (leitura obtida através do multímetro).
Portanto, a partir da Equação 21, é possível gerar um novo gráfico para Rc
vs tempo (Figura 32) com as leituras de Vm, em valor absoluto, e obter uma relação
direta entre esta queda ôhmica da solução e o que normalmente se esperaria para a
51
resposta de potencial vs tempo (Figura 31). Isto é possível devido relação existente
entre tensão, resistência e corrente (Lei de Ohm).
Figura 32 – Resposta da queda ôhmica Rc modelada pela Equação 21 com base nas
leituras obtidas para Vm para adições de sulfito.
A partir da resposta modelada para a queda ôhmica da solução ( Rc ), tornase possível o isolamento do intervalo linear relacionado com o aumento da
concentração
do
analito
devido
às
adições
consecutivas
realizadas
pelo
micropipetador DAM, exibido através da Figura 33.
A resposta obtida, análoga à resposta cronoamperométrica de patamares
exibida na seção 2.1.1.1 deste trabalho, também permite a obtenção do valor de
sensibilidade do microssensor da Figura 10-b, desenvolvido a partir de placa de
fenolite.
O
valor
encontrado
para
a
sensibildade
deste
sensor
foi
de
0,978 KΩ. µmol L−1 , ou seja, cada 1 µmol L−1 de analito adicionado corresponderá a
uma variação de 978Ω da resistência da solução.
Esta relação de sensibilidade é muito importante para o desenvolvimento de
novos projetos, inclusive porque resgata uma característica muitas vezes deixada de
lado pelas técnicas de controle de potencial, devido, inclusive, ao fato das
dificuldades do entendimento da resistência não compensada da solução [15].
52
Figura 33 – (a) Patamares de resistência da solução devido ao aumento linear da
concentração.
Nota-se que o novo perfil da Figura 32 se assemelha a resposta esperada
para técnicas de controle de corrente (Figura 31). O que se explica através deste
perfil normalmente esperado, segundo BARD. A. J [15], o potencial do eletrodo irá,
então, mudar rapidamente em direção a valores mais negativos até que um novo
processo, segundo processo de redução, possa iniciar.
O período após a aplicação da corrente constante quando esta transição de
potencial ocorre é denominado tempo de transição, τ (Figura 31). Este tempo de
transição está relacionado com a concentração e o coeficiente de difusão e é
análogo a corrente de pico ou corrente limite nos experimentos de controle de
potencial. O formato e a localização das curvas E-t são governados pela
reversibilidade, ou taxa de heterogeneidade da reação eletródica [15].
53
4.3.2 Resposta voltamétrica a diferentes concentrações de ácido ascórbico
A resposta eletroquímica dos eletrodos modificados com PANI às diferentes
concentrações de ácido ascórbico foi obtida através do método voltamétrico.
Escolheu-se este método para que houvesse um parâmetro comparativo para a
melhora na sensibilidade esperada pela modificação de superfície com polímero
condutor PANI aplicado à detecção do ácido ascórbico.
Para estes experimentos foram utilizadas duas soluções diferentes (fosfato e
água deionizada). Os valores de pH foram: pH = 7,0 para fosfato e pH = 6,0 para
água deionizada. Além disso, optou-se por utilizar diferentes concentrações de
solução estoque: 400 mmol L−1 para a obtenção da Figura 34-a e 1,0 mol L−1 para
Figura 34-b. Observa-se que estas diferenças não prejudicaram a obtenção das
conclusões deste trabalho.
Esta escolha foi devido ao anseio pelo conhecimento do comportamento do
filme, pois se espera que a polianilina mude seu estado de oxidação e seu efeito
catalítico, principalmente devido a variação de pH da solução; além de outros fatores
[8, 40].
No caso do macroeletrodo, o procedimento foi semelhante ao realizado para
sulfito de sódio, inicialmente separou-se três béqueres, adicionando-se um volume
de 30 mL de tampão fosfato em cada béquer, para em seguida serem adicionados
os volumes previamente calculados para o preparo das referidas concentrações.
54
(a)
(b)
Figura 34 – Resposta eletroquímica para diferentes concentrações de ácido ascórbico (a)
macroeletrodo (b) microeletrodo ( v = 50 mV s −1 ).
55
4.4
Obtenção da curva analítica
Para o levantamento da curva analítica é preciso o conhecimento do
potencial no qual se deseja polarizar o eletrodo durante o experimento
cronoamperométrico. Logo, deve-se realizar, primeiramente, um experimento de
voltametria de pulso diferencial (DPV, do termo em inglês “Diferential Pulse
Voltammetry”) [13] ou um experimento de voltametria cíclica de varredura linear [1416].
Por isso, é primordial que seja feito o planejamento do experimento, onde
deverá ser escolhida a técnica, o potencial de trabalho, o tempo de duração do
experimento e o intervalo de amostragem.
Para o ácido ascórbico, o experimento DPV, realizado com o microeletrodo
de ouro (Figura 9-b) sem e com a modificação da superfície, possibilitando o
conhecimento de que o microssensor modificado com PANI apresenta resposta a
partir de 0,15 V (Figura 35); comparando este potencial com o potencial de 0,22 V,
obtido por ALMEIDA, F. L (Figura 1) [13], nota-se a melhora na seletividade do
sensor devido a diminuição deste valor para um valor de potencial menos positivo,
enfatizando a utilidade da modificação de superfície utilizando polianilina.
Figura 35 – Voltamograma de pulso diferencial obtido (tampão fosfato ph = 7).
56
Contudo, por limitações de tempo para tal realização e para evitar erros,
optou-se por realizar uma cronoamperometria em um potencial maior (0,425 V ), pois
este é um valor que certamente apresentaria a resposta desejada do microssensor
modificado; comprovando, mesmo assim, a viabilidade deste tipo de modificação na
detecção do analito ácido ascórbico.
Qualquer valor de potencial acima de 0,15 V, conforme comprova a Figura
35, apresenta resposta. Porém, somente a partir do potencial +0,65 V o sinal de
corrente de difusão torna-se praticamente independente do potencial aplicado. Notase que o voltamograma de pulso diferencial não apresentou um comportamento
totalmente linear em 0,65 V.
Não foi utilizada amostra real, portanto, não existe a preocupação de
interferentes que poderiam adicionar resposta ao sinal analítico e prejudicar as
conclusões obtidas neste trabalho. Por isso, foi possível qualquer valor de potencial
a partir do valor 0,15 V.
A resposta cronoamperométrica (Figura 36) obtida para microeletrodo de
ouro (Figura 9-b) sem a modificação da superfície foi realizada através da adaptação
do sistema de controle de válvula para dosagem desenvolvido por IGARASHI, M. O
e ALMEIDA, F. L. [13], o sistema foi configurado de maneira que realizasse
dosagens de 10 µL a cada 120 segundos; sendo que, após cada adição, a célula
eletroquímica era colocada sob agitação durante 30 segundos, para facilitar o
processo de transferência de massa e em seguida desligada para evitar efeitos de
convecção forçada (evitando assim eventuais ruídos).
(a)
(b)
Figura 36 – (a) Resposta cronoamperométrica de microeletrodo de ouro (Figura 9-b) sem
modificação de superfície em solução tampão fosfato e a (b) Curva analítica obtida para (E =
0,350 V, intervalo 0,01 s, tempo de duração 1600 s, branco em tampão fosfato ph = 7).
57
A resposta cronoamperométrica apresentou o perfil padrão de “escada” e um
valor de sensibilidade 14,95µA M −1 , conforme a Equação 23.
S=
∆I 3,97 − 0,62
=
= 14,95 nA mM −1
∆C 0,25 − 0,02
(23)
Para o cálculo da sensibilidade da equação 23, foram considerados os
valores médios das correntes de cada patamar da “escada”; onde os mesmos foram
introduzidos na Tabela 2, que apresenta os valores de concentração e de corrente
(ressalta-se que o valor da corrente do branco eletroquímico já foi descontado).
Tabela 2 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 36-b)
DESCRITIVO
C [mM]
I [nA]
Após a 1ª adição
0,02
0,62
Após a 2ª adição
0,05
1,21
Após a 3ª adição
0,07
1,66
Após a 4ª adição
0,10
2,03
Após a 5ª adição
0,12
2,40
Após a 6ª adição
0,15
2,74
Após a 7ª adição
0,17
3,11
Após a 8ª adição
0,20
3,42
Após a 9ª adição
0,22
3,70
Após a 10ª adição
0,25
3,97
Já a curva analítica obtida para o mesmo microeletrodo (Figura 9-b)
modificado com o polímero condutor PANI pode ser visualizada através da Figura 37.
Neste caso, não foi utilizado o sistema descrito anteriormente, porém, foi testado o
micropipetador automático
DAM desenvolvido;
características do sistema desenvolvido por [13].
que
apresenta
as mesmas
58
(b)
(a)
Figura 37 -(a) Resposta cronoamperométrica do microeletrodo de Au
modificado com PANI e a (b) Curva analítica obtida (E = 0,425 V, intervalo 0,01 s,
tempo de duração 1800 s, pH = 6,0).
A Figura 37, diferente da Figura 36, não apresenta o perfil de escada porque
neste experimento o sistema não foi colocado sob agitação temporária, foi ligado de
maneira autônoma conforme descreve as Figuras 19 e 20 e, principalmente, porque
foram cometidos erros durante o manuseio, quando ocorreu uma oxidação
antecipada do filme porque o procedimento de dosagem foi iniciado antes do
momento programado devido a um erro do operador, forçando-o a reiniciar a análise
e trocar a solução de branco.
Ou seja, apesar de retirar o microeletrodo (Figura 9-b) modificado com PANI
e lavá-lo, este fato fez com que o filme já iniciasse a nova análise em estado de
oxidação, aumentando muito a sensibilidade do microssensor.
Este fato não prejudicou a interpretação dos resultados porque, o único
interesse era avaliar a melhora na sensibilidade do sensor, inclusive o
comportamento do filme de PANI; não sendo dado enfoque às demais
características como limite de detecção, etc.
Para a obtenção da resposta cronoamperométrica da Figura 37 foram
realizadas 51 adições partindo-se de um branco eletroquímico realizado com 20 mL
de água deionizada. Sabendo que cada dosagem do DAM corresponde a um
volume previamente calculado de 15,3 µL (para este cálculo foi pesado um volume
conhecido de água deionizada e dividido pela massa obtida a partir de uma balança
analítica em temperatura ambiente de aproximadamente 25ºC) foi possível a
obtenção do primeiro valor de concentração da curva analítica
59
Para o cálculo da sensibilidade da equação 24, foram considerados os
valores médios das correntes do intervalo linear da curva (Figura 37-a); onde os
mesmos foram introduzidos na Tabela 3, que apresenta os valores de concentração
e de corrente (ressalta-se que o valor da corrente do branco eletroquímico já foi
descontado).
S=
9,1 − 4,72
∆I
=
= 3,84 µA mM −1 = 3,84 mA mol L−1
∆C 5,34 − 4,2
(24)
O ganho de sensibilidade devido à modificação eletroquímica da superfície
do microssensor de ouro foi de aproximadamente 257,23 vezes, passando de
14,95 µA mol L−1 para 3,84 mA mol L−1 (Equação 24). As evidências deste aumento são
comprovadas pelos resultados de JUREVICIUTE, I. [40], que apresentou em seu
trabalho a resposta cronoamperométrica (Figura 38) para adições de ácido
ascórbico utilizando um filme de PANI de dimensão (1,4 cm x 4,5 cm).
Tabela 3 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 37-b)
DESCRITIVO
Após a 1ª adição
Após a 2ª adição
Após a 3ª adição
Após a 4ª adição
Após a 5ª adição
Após a 6ª adição
Após a 7ª adição
Após a 8ª adição
Após a 9ª adição
Após a 10ª adição
Após a 11ª adição
Após a 12ª adição
Após a 13ª adição
Após a 14ª adição
Após a 15ª adição
Após a 16ª adição
Após a 17ª adição
Após a 18ª adição
Após a 19ª adição
Após a 20ª adição
C
[mM]
0,38
0,77
1,15
1,53
1,91
2,29
2,68
3,06
3,44
3,82
4,20
4,58
4,96
5,34
5,72
6,10
6,47
6,85
7,23
7,61
I – Bco
[uA]
0,01
0,06
0,13
0,32
1,00
0,98
1,05
1,43
2,10
3,20
4,72
6,33
7,80
9,10
10,20
11,03
11,74
12,29
12,69
12,91
Instante
Leitura [s]
400
444
488
532
576
620
664
708
752
796
840
884
928
972
1016
1060
1104
1148
1192
1236
60
(b)
(a)
Figura 38 – (a) Resposta cronoamperométrica do eletrodo modificado com filme de PANI e
a (b) Curva analítica obtida (E = 0,1 V, tempo de duração 180 s, pH = 6,4) [40].
S=
55 −15
∆I
= 133,33 mA mol L−1
=
∆C 0,4 − 0,1
(25)
Para o cálculo da sensibilidade da equação 25, foram considerados os
valores médios das correntes de cada patamar da “escada” da Figura 38; sendo os
mesmos introduzidos na Tabela 4, que apresenta os valores de concentração e de
corrente (ressalta-se que o valor da corrente do branco eletroquímico já foi
descontado).
Tabela 4 – Valores de concentração e corrente obtidos a partir da resposta
cronoamperométrica (Figura 37-a).
Concentração Corrente
4.5
[mM]
[uA]
0,1
15
0,2
30
0,3
42
0,4
55
Confecção de pseudo-microeletrodos de referência
O desenvolvimento de microeletrodos de referência integrados iniciou-se a
partir do anseio de um processo de sensoriamento totalmente integrado e autônomo,
incluindo microssensor e equipamentos.
61
Uma das principais motivações para a busca pelo desenvolvimento de
microeletrodos de referências integrados a microssensores microfabricados foi o fato
de que eletrodos de dimensões macrométricas não possibilitam a detecção em
soluções altamente resistivas, sem eletrólito suporte e um pequeno volume de
amostra, [7, 39, 41], características oferecidas pelos microeletrodos.
A busca pela obtenção de microeletrodos de referência integrados aos
microssensores desenvolvidos [13, 27] ganhou mais força após ter sido alcançado o
desenvolvimento de um circuito galvanostato (ver seção 3.4.2) capaz de controlar
correntes num intervalo de microampère a nanoampère, o que possibilita menores
densidades de correntes, antes conseguidas apenas com equipamentos comerciais
[29], cujo custo é relativamente alto; utilizadas no processo de eletrodeposição.
Para as conexões micrométricas do microssensor com os contatos de
dimensões macro dos equipamentos de análise foi necessária a soldagem de fios
(“wire bonding”) interligando o microssensor ao suporte de fenolite. Após a soldagem
dos contatos, foi utilizada fita isolante líquida para proteção contra eventuais danos
(Figura 10-d).
O desenvolvimento deste microeletrodos pode permitir melhoras no projeto e
desenvolvimento de microssensores amperométricos que possam ser aplicado não
somente em análises alimentícias, mas também clínicas e até mesmo ambientais;
portanto, foi escolhido o microssensor (Figura 10-a) para estes experimentos.
4.5.1 A limpeza dos microeletrodos
Antes da utilização do microssensor, cedido por Fontes, M. B. A [13], é
necessário ativar a superfície através dos procedimentos de limpeza descritos
anteriormente; o que resulta numa superfície homogênea e brilhante (Figura 39).
Figura 39 – Superfície de ouro do microssensor após o processo de limpeza (zoom óptico
de 10 x) [32].
62
Observa-se, que nestes experimentos, foi utilizado apenas o microeletrodo
maior (em forma de “C”) devido a facilitar a identificação visual das fotos obtidas por
micrsocópio óptico, os demais eletrodos desta geometria não foram avaliados neste
trabalho.
4.5.2 Deposição de prata
Para a deposição de prata, foi considerado o valor de área geométrica do
microeletrodo, A = 7,11 mm2 conforme a tese de FONTES, M. B. A [29] e Foi
utilizada a densidade de corrente, J = 1 mA cm-2. Portanto, a corrente a ser
controlada pelo equipamento galvanostato é:
i = J x Ag = 1mA cm −2 x 7,11mm 2 = 711nA
(26)
A deposição de prata, realizada com corrente catódica calculada de 711 nA
foi realizada purgando N 2 durante 5 minutos e sob agitação com velocidade 450 rpm
(observa-se que o gás nitrogênio era purgado ao mesmo tempo que a solução
estava sob agitação).
Para a eletrodeposição de prata foi preparada uma solução para deposição
que consistia da seguinte mistura: AgNO3 150 µmol L−1 em Na2 SO3 0,5 mol L−1 ; 20 µL
de Na2 EDTA. 2 H 2O 30 g L−1 [13,32].
4.5.3 Eletrodeposição de cloreto de prata
Na seqüência, a fonte de corrente foi reconfigurada para propiciar uma
densidade de corrente anódica de 0,4 mA cm −2 , ou seja, uma corrente anódica de
valor 284,4 nA calculada pela equação 26. Porém, agora com duração de 30
minutos a fim de oxidar a prata e permitir a adsorção do cloreto sobre o filme de
prata na superfície do eletrodo.
Para a eletrodeposição de cloreto foi utilizada uma solução de HCl de
concentração 0,1 mol L−1 .
63
Obteve-se, portanto, um filme de prata/cloreto de prata conforme a Figura 40.
Figura 40 – Filme de Ag/AgCl eletrodepositado sobre a superfície de prata para a fabricação
do eletrodo de referência (zoom óptico de 10x).
Esta deposição é muito importante para se obter um eletrodo de referência
com boa reversibilidade e, conseqüentemente, garantir um potencial de referência
estável. Segundo Hiroaki Suzuki, a estabilidade está relacionada com a adesão do
cloreto de prata eletrodepositado [13, 42-43].
4.5.4 A reversibilidade do filme
A fim de buscar a estabilidade do potencial de referência, o filme, recém
depositado, foi armazenado umedecido durante 1 dia e posteriormente condicionado
em soro fisiológico
durante 3 dias. Este procedimento possibilitou alcançar a
estabilidade do eletrodo de referência que é muito importante uma vez que é
desejável que se promova um potencial de referência bem definido.
Hiroaki Suzuki [42-43] propôs uma relação entre a estabilidade do potencial
do eletrodo de referência Ag/AgCl com a dissolução do filme AgCl. Após a
estabilização do eletrodo de referência, que foi realizada entre o eletrodo de
referência confeccionado e um eletrodo de referência comercial [13].
Foram
realizados
6
ciclos
caracterização da reversibilidade
consecutivos
(Figura
41)
[32]
para
a
com a janela de potencial –0,5V a +0,5 V vs
Ag/AgCl sob velocidade de varredura 100 mV s −1 em soro fisiológico (NaCl 0,9 %).
Espera-se uma resposta redox da corrente no mesmo potencial, portanto produzindo
uma relação de linearidade [12].
64
Figura 41 – Teste de reversibilidade do filme de Ag/AgCl depositado.
Considera-se que um eletrodo de referência apresenta boas características
quando o potencial redox aplicado é o mesmo para corrente de oxidação e de
redução, ou seja, existe uma mínima histerese [32]. Qualquer variação na corrente
indica alteração no potencial de referência e uma instabilidade. O gráfico da Figura
35 exibe a resposta da corrente vs potencial com uma mínima histerese que indica
uma mínima irreversibilidade. Portanto, o pseudo-microeletrodo de referência obtido
neste trabalho está de acordo com as características esperadas [13, 32].
Além do desempenho, homogeneidade, adesão e estabilidade do filme de
Ag/AgCl obtido, enfatiza-se o baixo custo e a facilidade de implementação
do
circuito galvanostático.
O circuito pode ser utilizado para eletrodeposição de diferentes materiais,
incluindo
polímeros
condutores
aplicados
a
modificação
de
eletrodos
e
microeletrodos de trabalho. A eletrodeposição realizada com este equipamento
permite o controle da espessura do filme, estudos de estabilidade e, ainda, uma
relação entre homogeneidade e aderência do filme.
O método galvanostático também tende a resultar na formação de uma
camada de filme polimérico mais poroso que pode ser importante no controle do
transporte do analito e potencial de interferentes para a superfície de detecção. Isto
pode ser vantajoso no controle da seletividade.
O próximo passo é a colocação de uma membrana de Nafion® 117 no
microssensor implementado; que será usada para confinar a quantidade de cloreto
no filme de Ag/AgCl, evitando a corrosão e melhorando a estabilidade, maximizando,
inclusive, a vida útil do microeletrodo de referência. Testes de caracterização da
65
reversibilidade, variação do potencial do microeletrodo de referência com cloreto e
com o tempo também serão realizados no microssensor implementado.
A membrana Nafion foi implementada e reportada com sucesso em [31]
através da associação da técnica de deposição galvânica de filme de Ag/AgCl sobre
filmes
de
ouro previamente eletrodepositados
sobre
eletrodos
de
platina
(macroeletrodos) através da técnica utilizando banho de formaldeído [26]. Os
resultados (Figura 42 e 43) do trabalho citado foram obtidos após a formação de
filmes de Ag/AgCl eletrodepositados com densidade de corrente 0,4 mA cm −2 durante
1 hora de experimento [31].
Figura 42 – Eletropolimerização de cloreto de prata sobre (a) prata rugora e (b) prata menos
rugosa.
A membrana de Nafion® 117 utilizada sobre o filme de cloreto de prata
permitiu a proteção contra corrosão e maximizar a estabilidade do potencial.
Figura 43 – Superfície do eletrodo recoberta com Nafion® 117: a) AgCl rugoso e b) AgCl
menos rugoso, c) e d) potenciais de referencia respectivos aos eletrodos a) e b).
66
5
CONCLUSÕES
Existe uma melhora significativa no valor da sensibilidade constatada tanto
para macrossensor quanto para microssensor ao se modificar a superfície de ouro
com polímero condutor polianilina. Além disso, constata-se que a reposta do sensor
para sulfito de sódio foi comprovada a partir de 0,05 V, enquanto que para o ácido
ascórbico a partir de 0,15 V. Isto, além de ter sido uma melhora significativa de
seletividade para o sensor comparado a outros trabalhos já publicados. Apresenta
também uma possibilidade de seletividade na detecção simultânea destes dois
analitos, porém, recomenda-se, a realização de mais testes para comprovar a
potencialidade deste fato.
Com relação à instrumentação eletroquímica desenvolvida, ressalta-se que é
possível, com um baixo custo de implementação (comparado ao elevado custo da
instrumentação comercial disponível), desenvolver de maneira autônoma a
instrumentação necessária à realização de procedimentos experimentais de
microssensores eletroquímicos; sendo uma alternativa viável a pesquisadores que
não possuem financiamento para a aquisição de tal instrumentação.
Destaca-se a importância de se desenvolver circuitos eletrônicos a fim de se
automatizar o processo de sensoriamento, o que permitirá, além das melhorias no
projeto e desenvolvimento, assim como a redução de custos; a eliminação de falhas
causadas pelo operador.
Muitos polímeros orgânicos têm uma ótima estabilidade química; por
conseguinte, a degradação do filme não é geralmente um problema. Os polímeros
podem ser preparados de infinitas formas, logo, a facilidade de preparação das
soluções, baixo custo e praticidade dos procedimentos são características
motivadoras para a sua utilização.
67
6
PERSPECTIVAS FUTURAS
O casamento da tecnologia de microfabricação com a modificação de
superfície para se obter um atrativo em análises clínicas com a integração (do
eletrodo de trabalho, auxiliar e referência num só sensor) em microssistemas
extracorpóreos fluídicos pode ser uma alternativa vantajosa, devido ao pequeno
volume de amostra necessário, a melhora significativa na sensibilidade e
seletividade do sensor, inclusive as possibilidade de melhora na reprodutividade e
repetibilidade, fatores essenciais às análises clínicas.
Com relação ao projeto e desenvolvimento do microssensor, ressalta-se a
importância da adequação à nova geometria desenvolvida através de placas de
fenolite e testada neste trabalho para que se adéqüe a permita a microfabricação
almejada e muito útil a processos de análise, inclusive análises alimentícias, clínicas
e ambientais.
Quanto ao galvanostato, micropipetador automático e detector coulométrico
desenvolvido, é importante que mais testes e melhorias no circuito sejam feitas a fim
de buscar uma eficiência de 100%, ou pelo menos, o mais próximo deste valor. Além
disso, é importante que seja feita a integração de toda a instrumentação para que
seja alcançada a automatização de todo o processo de sensoriamento, incluindo
microssensor(es), micropipetador, detector e sistema de aquisição de dados a ser
desenvolvido.
A realização de experimentos utilizando o detector potenciométrico e
eletrodos/microeletrodos modificados com polianilina, dando continuidade aos
experimentos já realizados é outra perspectiva muito importante deste trabalho.
O projeto e o desenvolvimento de novos microdispositivos sensores que
podem ser beneficiados com o conteúdo do presente trabalho, através do qual
obtem-se informações pertinentes à geometria testada, aos fatores relevantes á
modificação por polímeros condutores como PANI (por exemplo, pH) e também o
comportamento da queda ôhmica da solução, característica muitas vezes
desprezada.
68
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73
APÊNDICE
A - O branco eletroquímico
Termo genérico que apresenta algumas denominações bastante conhecidas
pelos eletroquímicos: sinal branco, do termo em inglês “blank signal” [11] ou corrente
de fundo, do termo em inglês “background current”. É a corrente devido à formação
de óxidos de superfície ou camada de hidrogênio adsorvida podendo mudar
piamente a cinética da reação eletródica, principalmente para dados irreprodutíveis
[9].
O branco eletroquímico geralmente é obtido no início de qualquer
experimento analítico, onde geralmente é realizado o procedimento com o método
eletroquímico a ser utilizado na ausência do analito.
Após o término da obtenção da curva analítica, por exemplo, a curva da
corrente de fundo deve ser subtraída da curva analítica para que os dados
correspondam exclusivamente à variação do analito.
B - A dupla camada elétrica
Alguns autores como [12] definem que quando uma fonte externa de energia
elétrica faz com que elétrons entrem ou saiam de um eletrodo, a superfície
carregada do eletrodo passa a atrair íons de cargas opostas; este eletrodo
carregado e os íons com cargas opostas a ele constituem a dupla camada elétrica
(DCE). Mas talvez a melhor forma de defini-la seria como: o arranjo total de espécies
carregadas e dipolos orientados que existe entre a interface eletrodo/solução [14-16].
Esta segunda definição aprofunda-se nos conceitos da eletroquímica; que
consiste na mistura de ambas, energia química e energia elétrica.
Existem
basicamente dois tipos de reações que podem ocorrer numa célula eletroquímica: a
espontânea (também conhecida como pilha), onde a energia química é convertida
em elétrica e a forçada (também conhecida como eletrólise), onde a energia elétrica
induz uma reação química.
Ao se analisar uma pilha, onde existem dois eletrodos diferentes não só em
relação ao material, mas principalmente quanto a sua energia de ativação; pode-se
afirmar que o eletrodo cujo material apresenta elétrons com maior energia doará
74
estes elétrons para o de menor energia. Esta doação espontânea é o suficiente para
se enquadrar na primeira definição dada por [12].
Ou seja, antes de qualquer explicação mais detalhada em relação à dupla
camada elétrica e os modelos existentes (Modelo de Stern, Gohn e Bockris, Modelo
de Helmotz e Modelo de Gouy-Chapman [9, 12, 14-15]), é necessário o
entendimento de que mesmo antes do início da aplicação de qualquer técnica
eletroquímica, o simples fato de se introduzir dois eletrodos numa solução eletrolítica
propiciará o início uma reação espontânea suficiente para propiciar o carregamento
da dupla camada elétrica; porém, ao iniciar-se um fluxo de elétrons forçado por uma
fonte externa, o modelo anterior muda, e passa a sofrer uma influência adicional do
potencial elétrico. Desprezando-se as semelhanças e diferenças existentes entre os
modelos da DCE, pode-se fazer uma analogia com a explicação dada pelos
fundamentos teóricos da eletricidade. Através do qual há o entendimento que o
capacitor eletrolítico, um elemento composto de duas placas paralelas entre si (“os
eletrodos”) apresenta entre as duas placas um dielétrico (“solução”) que atua como
uma barreira ao fluxo destes elétrons.
Porém, um capacitor eletrolítico convencional) é muito mais simples que o
capacitor encontrado nos modelos para a DCE. A complicação destes modelos
deve-se ao fato de que a célula eletroquímica está sofrendo diversas influências (da
temperatura, pressão, área eletroativa do eletrodo, etc.), o que acarreta uma
alteração do dielétrico; isto apenas considerando eletrodos e solução. O modelo
passa a um grau de complexidade muito maior quando são introduzidas variáveis
como: filme de polímero condutor intrínseco adsorvido na superfície do eletrodo; pois
este também apresenta elétrons com um nível de energia diferente e suficiente para
introduzir ao sistema uma reação redução – oxidação (redox), claro que sob a
influência do pH da solução.
Observa-se ainda que em uma reação eletroquímica, o que determinará o
positivo (+) e o negativo (-) é o fluxo de elétrons; ou seja, o que determina a
polaridade do eletrodo é a espontaneidade da reação.
Ainda dentro do contexto único eletrodo e solução, é necessário o conceito de que o
potencial onde há o equilíbrio entre as cargas do eletrodo e as cargas da solução
(eletroneutralidade) é conhecido como potencial de carga zero. Logo, este potencial
irá determinar se a espécie adsorverá ou desorverá na superfície de um eletrodo.
75
ANEXOS
I - Reagentes, materiais e instrumentação de laboratório
O primeiro passo, primordial para o desenvolvimento de qualquer experimento,
durante as etapas de pesquisa, é a organização. No início deste trabalho, por falta
de experiência com pesquisas experimentais, esta organização não foi realizada; o
que causou atrasos e esquecimento de materiais de apoio, inclusive sensores.
Figura 44 – Organização dos materiais de apoio e do sensores e microssensores.
A seguir, é apresentada uma sugestão de materiais e organização das
maletas.
Maleta 01: Material de apoio
• Lixas d’água de várias numerações (180, 380, 600, 1200, 2000 e 2500)
cortadas em pequenos pedaços de forma a facilitar armazenagem,
manuseio e também o processo de lixamento;
• Guardar, em um pequeno recipiente, um pouco de alumina coloidal
(sugere-se granulometria 0,05 µm, além de outras);
76
• Pincéis escolares e/ou bastonetes de higiene pessoal para a limpeza
física com alumina coloidal;
• Caneta de escrever em CD para a escrita em recipientes de vidro e
identificação dos reagentes e soluções a serem utilizadas;
• Fita isolante, fita teflon e durex para adaptações técnicas necessárias
durante a montagem dos experimentos; inclusive para prender fios de forma
a não atrapalhar o acesso do usuário.
• Etiquetas pequenas para facilitar a identificação dos sensores e
microssensores utilizados;
Maleta 02: Sensores
Pode organizar a(s) maleta(s) de sensor(es) conforme desejar; porém,
recomenda-se a identificação através de números de cada sensor utilizado. Neste
trabalho, os números foram atribuídos individualmente para cada sensor e
microssensor, e as análises referentes aos respectivos sensores, armazenadas em
pastas de trabalho no sistema operacional do computador denominadas com estes
números; isto facilita a identificação e coleta futura de dados armazenados.
Maleta 03: Fios, Cabos plugs e conectores
Pode manter uma maleta, ou até mesmo um estojo escolar com os cabos,
plugs
e
conectores a
serem
utilizados
para
interfacear os
sensores
e
microssensores com os equipamentos de análise.
A lista de reagentes e materiais de laboratório foi preparada com base nos
experimentos de [27-37].
Os reagentes necessários são:
• ácido sulfúrico 0,5 mol L−1 ;
• ácido nítrico 0,5 mol L−1 ;
• álcool isopropílico.
77
• álcool etílico;
• água deionizada;
• peróxido de hidrogênio (“água oxigenada”);
• tampão fosfato pH =7;
• anilina grau analítico (também denominada grau P.A.);
• Solução preparada de hexacianoferrato de potássio (K3Fe(CN)6)
• Sulfito de sódio anidro P.A.;
• Ácido ascórbico P. A.;
Os materiais de laboratórios necessários são:
• 1 béquer de 500 mL para descarte;
• 1 béquer de 80 mL para preparo de solução de anilina 0,1 mol L−1 diluída
em H 2 SO4 ;
• 1 sensor de referência (Ag/AgCl ou outro disponível; porém, será
necessário adaptar-se à nova janela de potencial imposta pela mudança do
eletrodo de referência);
• Gás Nitrogênio ou argônio para purga;
• 2 Células eletroquímicas adaptas aos sensores e microssensores ou:
• 3 béqueres
de 50 mL (um para etapa de limpeza eletroquímica e
consolidação da PANI em H 2 SO4 , outro para a realização de branco em
tampão fosfato e outro para branco em água deionizada;
A instrumentação eletrônica (disponível no laboratório de eletroquímica)
utilizada nos procedimentos experimentais é destacada a seguir:
• 1 potenciostato comercial;
• 1 multímetro para testar conexões dos cabos com sensores e
instrumentação;
• 1 banho ultrasom para preparo da solução de anilina;
• 1 agitador magnético para experimentos de diluição;
78
Além
da
instrumentação
comercial,
foi
utilizada
a
intrumentação
desenvolvida neste trabalho:
• Micropipetador automático (DAM);
• Galvanostato para modificação de superfície de eletrodo;
• Detector coulométrico (ainda em projeto e desenvolvimento);
79
II – Especificações técnicas de alguns componentes
Tabela 5 – Especificações técnicas de alguns componentes selecionados com base no
“Datasheet” do fabricante.
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS
Impedância entre as entradas
(“Differential input impedance”) [Ω]
“Input bias current” [A]
Variação de tensão com temperatura
o
“Drift with temperature” [uV/ C]
DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES
LM741
LF351N
MCP6042
AD549L
2 x 106
1012
1013
1015
80x10-9
20 x 10-12
1 x 10-12
40 x 10-15
±15
±2
±2
±2
80
III – Guia de preparo da solução de Polianilina
OBJETIVO:
Preparar Solução de Anilina 0.1 molL-1 em H2SO4aq 0,5 molL-1
Reagentes Químicos:
Anilina Pura;
250 mL de solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4aq) 0,5 molL-1
1 Pisseta contendo água ultra-pura (MILLI-Q)
Materiais:
Célula eletroquímica (ou béquer na falta de célula eletroquímica) → OBS: LIMPOS
Eletrodo de trabalho (micro ou macro eletrodos de ouro)
Contra eletrodo (Eletrodo auxiliar) – Pode ser platina ou ouro
Eletrodo de referência:
- Calomelano Saturado (ECS) ou
- Prata/Cloreto de Prata ou
- Hidrogênio (ERH)
Balão Volumétrico (fundo chato) de 50 mL
Gases:
Nitrogênio gasoso (N2)
(Será utilizado para remoção de O2 da solução aquosa contendo anilina)
Outros Materiais:
Papel macio ou papel toalha
Dois béqueres LIMPOS!
- 50 ou 100 mL
Pipeta graduada de 1 mL
- 200 mL
81
PROCEDIMENTO
Preparar solução de anilina 0,1 molL-1
Massa molar da anilina = 93,126 g mol-1
6C = 6 x 12,012 g mol-1
7H = 7x 1,0079 g mol-1
1N = 14,0067
g mol-1
____________________
g mol-1
93,126
Volume da solução de anilina = VS = 50 mL = 0,050 L
M=
n
m
=
Vs MolxVs
Onde: m = massa de anilina
VS = 50mL = 0,050 L
M = 0,1M = 0,1 Mol.L-1 = Concentração Molar
Logo: m = MxMolxVs
Densidade da anilina = d =
m
Vanilina
g 
 g
= 
= 3
 mL cm 
Como anilina é um líquido, logo, devemos medir seu volume!
Vanilina =
MolxVs xM
d anilina
Como densidade de anilina (~20ºC) = 1,0217 g.cm-3 = g.mL-1
Vanilina
93,126( g.mol −1 ) x0, 05( L) x0,1(mol.L−1 )
=
1, 0217( g.mL−1 )
Vanilina = 0, 46mL = volume de anilina que deverá ser dissolvida em 50 mL de uma
solução aquosa de H2SO4 0,5 molL-1
Concentração final da anilina = 0,1 mol.L-1
82
RESUMO
•
Eletrodo de trabalho (micro ou macro-eletrodos de ouro)
•
1 Célula eletroquímica (LIMPA)
•
1 Eletrodo de Referência (ECS ou Ag/AgCl ou ERH)
•
1 Contra eletrodo (PT ou Au)
•
1 Béquer de 100mL ou 50 mL (LIMPO)
•
1 Béquer de 200mL (LIMPO)
•
1 Pipeta graduada de 1mL
•
1 balão volumétrico de fundo chato de 50 mL (LIMPO)
•
1 pisseta contendo água ultra-pura) (tipo Milli-Q)
•
Papel toalha ou papel higiênico do tipo “NEVE”
•
Nitrogênio gasoso (N2)
Reagentes:
•
250 mL de H2SO4aq 0,5 molL-1
Preparada utilizando água ultra-pura do tipo Milli-Q)
•
Anilina pura
83
IV- Aferições do intervalo de dosagem do DAM
Para o teste de temporização do DAM, foram realizadas diversas aferições
com a utilização de um simples cronômetro de relógio, através do qual o operador,
ao escutar o chaveamento do relè do equipamento, tomava nota do valor exibido em
seu cronômetro e também verificava se cada dosagem correspondia a uma gota.
Os instantes foram introduzidos na Tabela 5 e então, através da subtração
realizada a cada dois intervalos subseqüentes, foi possível a aferição dos 39
intervalos de dosagem correspondente ao período de 30 minutos e 7 segundos que
o equipamento DAM ficou em funcionamento. Gerou-se um gráfico de dispersão
(Figura 44), através do qual foi possível a percepção visual de que 5 dos 39
instantes aferidos estão fora do valor esperado (intervalo = 44 segundos [Tabela 5]
(ver anexo)), o que corresponde a um erro de aproximadamente 12 %.
Figura 44 – Gráfico de dispersão correspondente ao intervalo de dosagem do DAM
Ao se considerar o fato que o valor 44 segundos já foi obtido após a
estimativa de erro 5%, correspondente aos valores comerciais dos componentes
eletrônicos, é necessário acrescentar o erro de leitura do operador que aferiu o
sistema e também o erro do cronômetro utilizado; observa-se que foram
desprezados os possíveis erros de variação de temperatura (do termo inglês
“temperature drift”) dos componentes eletrônicos; pode-se constatar que o
desempenho do equipamento é muito bom e recomendado para utilização com o
método cronoamperometria, principamente quando o interesse for obtenção da
84
curva analítica, pois a soma de todos estes erros condiz com o valor de erro
encontrado.
Tabela 5 – Aferição dos intervalos de dosagem do DAM
Intervalo
Instante Dosagem
ESPERADO
MENSURADO
ÍNDICE
[mm:ss]
[mm:ss]
[mm:ss]
01:10
01:55
00:45
00:44
1
02:40
00:45
00:44
2
03:24
00:44
00:44
3
04:05
00:41
00:44
4
04:50
00:45
00:44
5
05:35
00:45
00:44
6
06:20
00:45
00:44
7
07:05
00:45
00:44
8
07:52
00:47
00:44
9
08:37
00:45
00:44
10
09:23
00:46
00:44
11
10:00
00:37
00:44
12
10:45
00:45
00:44
13
11:30
00:45
00:44
14
12:15
00:45
00:44
15
13:00
00:45
00:44
16
13:45
00:45
00:44
17
14:30
00:45
00:44
18
15:15
00:45
00:44
19
16:00
00:45
00:44
20
16:43
00:43
00:44
21
17:28
00:45
00:44
22
18:13
00:45
00:44
23
18:57
00:44
00:44
24
19:42
00:45
00:44
25
20:26
00:44
00:44
26
21:10
00:44
00:44
27
21:57
00:47
00:44
28
22:42
00:45
00:44
29
23:25
00:43
00:44
30
24:09
00:44
00:44
31
24:53
00:44
00:44
32
25:38
00:45
00:44
33
26:23
00:45
00:44
34
27:08
00:45
00:44
35
27:53
00:45
00:44
36
28:37
00:44
00:44
37
29:22
00:45
00:44
38
30:07
00:45
00:44
39
85
V - Válvula solenóide – especificações técnicas
86
VI – Artigo XVII SIBEE 2009
87
88
89
VII – Artigos 32ª RASBQ 2009
90
91
VIII – Artigo ACS / SBMICRO 2009
92
IX – Artigo IEEE circuits and systems for medical and environmental
applications workshop 2009