Capítulo 1 – Introdução geral e objetivos
1.3. Detecção condutométrica sem contato (oscilométrica)
A detecção condutométrica é, em princípio, um método de detecção universal desde que os analitos forneçam uma diferença de condutividade mensurável em relação ao eletrólito[41]. A condutância de uma solução (L) é dependente da área do eletrodo (A), da distância entre os eletrodos (l), das concentrações (ci) de todas as espécies carregadas e de sua
condutividade molar (
λ
i), de acordo com a Equação 1.3:i ic l A L=
∑
λ (Equação 1.3)Este tipo de detecção pode ser conduzido por dois modos diferentes: (i) modo com contato e; (ii) modo sem contato. No modo convencional (com contato), os eletrodos são posicionados diretamente em contato com a solução, fato que pode gerar alguns problemas na presença de um campo elétrico, como é o caso das separações eletroforéticas[41]. Dentre os possíveis problemas, destaca-se a formação de bolhas causadas pela eletrólise e também a degradação do eletrodo. Além disso, a presença de um campo elétrico requer uma proteção adequada do circuito eletrônico do detector para eliminar possíveis interferências elétricas. No
modo sem contato, os eletrodos são posicionados do lado externo de um microcanal ou de um capilar (sem contato com a solução), prevenindo os problemas relacionados ao modo com contato[41].
Na detecção condutométrica sem contato, ao aplicar um sinal senoidal a um dos eletrodos, uma corrente alternada pode ser acoplada capacitivamente no eletrólito de trabalho e registrada no segundo eletrodo de medida[42,45]. Isso é possível, porque os eletrodos formam capacitores com a solução eletrolítica utilizada. Estes capacitores são caracterizados pela impedância, Xc, também conhecida como reatância capacitiva, a qual é inversamente
dependente da capacitância, C, que é calculada pela Equação 1.4:
C Xc
ω
1
= (Equação 1.4)
sendo que C representa a capacitância, e ω é dado por (2π × freqüência).
Como observado na Equação 1.4, quanto maior a freqüência de trabalho, menor a reatância capacitiva ou impedância que um capacitor oferece ao fluxo de carga, permitindo que as variações de condutividade da solução no interior do microcanal sejam observadas mesmo com os eletrodos posicionados do lado externo do microcanal.
No modo sem contato, o princípio de funcionamento não é fundamentalmente diferente da detecção condutométrica convencional (com contato). Em ambos os casos, os experimentos são conduzidos com sinais alternados de modo a garantir que as correntes não sejam limitadas pelas reações faradaicas, mas apenas pela concentração e condutividade molar das espécies iônicas presentes na solução[45], como demonstrado na Equação 1.3.
Devido à presença de uma camada isolante no modo sem contato, as capacitâncias são muito menores do que as capacitâncias da dupla camada dos eletrodos sem o isolamento
elétrico. Deste modo, a freqüência de trabalho precisa ser significativamente maior no modo sem contato[45].
A detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (C4D, capacitively
coupled contactless conductivity detection) foi aplicada às técnicas de eletromigração no
início dos anos 1980 para a determinação isotacoforética de ânions orgânicos e inorgânicos[93,94]. Em 1998, Zemann e colaboradores[95] e Fracassi da Silva e do Lago[96] propuseram, de forma independente, a utilização da C4D como método de detecção para eletroforese capilar (CE). A partir deste momento, o número de publicações relacionadas à instrumentação e diferentes aplicações com CE-C4D tem aumentado consideravelmente. Maiores detalhes sobre a fundamentação teórica deste método de detecção podem ser encontrados em alguns artigos de revisão publicados recentemente[42,45,97-101]. Com o rápido desenvolvimento dos microssistemas aliado à compatibilidade com as técnicas de microfabricação, este método de detecção foi rapidamente implementado no formato miniaturizado no início dos anos 2000[102-105]. O desenvolvimento histórico da C4D em sistemas miniaturizados será abordado em detalhes no Capítulo 3.
Em sistemas capilares, os eletrodos são posicionados sobre o capilar formando capacitores cilíndricos, como demonstrado na Figura 1.6. Já em microchip, os eletrodos podem ser posicionados no mesmo plano que os microcanais ou fora do plano[42]. No primeiro caso, os eletrodos precisam ser fabricados necessariamente por processos fotolitográficos[105]. No modo fora do plano, os eletrodos podem ser fixados sobre a tampa do dispositivo ou na parte inferior da micro-estrutura (base). Esse modo (fora do plano) é vantajoso, pois os eletrodos podem ser confeccionados com fitas adesivas metálicas e fixados em uma das partes constituintes do microssistema. Em ambos os casos, ao contrário dos capilares, os eletrodos foram capacitores planares. A Figura 1.6 apresenta um esquema da integração dos eletrodos para C4D em capilar e em microchip.
Figura 1.6. Representação da configuração convencional dos eletrodos para C4D em formato capilar e em
microchip. Os eletrodos e1 e e2 indicam os eletrodos para excitação e registro do sinal resultante,
respectivamente.
O circuito equivalente para a C4D em capilar ou em microchip é similar e está apresentado na Figura 1.7. Este circuito (Fig. 1.7A) consiste de um capacitor para cada eletrodo (C1 e C2) e um resistor formado pela solução eletrolítica (RS) dentro do canal ou no
capilar[45]. Como pode ser observado no circuito equivalente, há uma outra capacitância, denominada capacitância de fuga (CF), referente ao acoplamento entre os dois eletrodos da
cela de detecção. Esta capacitância é indesejada, pois permite um fluxo de corrente contribuindo para a intensidade do sinal absoluto da linha de base que, conseqüentemente, afeta negativamente os limites de detecção. Na prática, o efeito desta capacitância pode ser minimizado usando um plano de terra ou otimizando a freqüência de trabalho[45,101]. As capacitâncias C1 e C2 podem ser substituídas pela capacitância equivalente, CP, a qual refere-
se à capacitância da parede do canal na região dos eletrodos. Com essa substituição, o circuito equivalente pode ser simplificado, como mostrado na Figura 1.7B.
Devido ao formato planar, a capacitância dos eletrodos, em microchip, é menor do que as capacitâncias dos eletrodos tubulares utilizados em capilares. Em conseqüência desse fator, quando comparado aos capilares, a capacitância do acoplamento é menor para os microcanais[45]. A resposta analítica do detector oscilométrico depende basicamente da diferença de condutividade entre os analitos e o eletrólito utilizado[101]. Dessa maneira, dependendo da magnitude da condutividade do meio, é possível obter sinais positivos e/ou negativos para as espécies analisadas.
Como mencionado anteriormente, a idéia básica dos sistemas de C4D é aplicar um sinal AC com amplitude constante e medir a corrente que flui pela cela de detecção. Desprezando os efeitos da capacitância de fuga, a resposta do detector pode ser explicada em termos do módulo da admitância Y, como apresentado na Equação 1.5[101]:
2 2 2 4 1 1 P C f K Y
π
κ
+ = (Equação 1.5)Figura 1.7. Circuito equivalente para a C4D em capilar ou microchip em termos (A) das capacitâncias dos eletrodos (C1 e C2) e (B) da capacitância da parede do canal (CP).
em que K representa a constante da cela,
κ
é a condutividade, f é a freqüência de operação eCP é a capacitância da parede do canal (na região dos eletrodos), cuja magnitude pode ser
calculada pela relação C1C2/(C1+C2).
Brito-Neto e colaboradores[101] demonstraram que a admitância varia linearmente com a condutividade quando uma freqüência de 5 MHz é aplicada. No entanto esta linearidade não é observada para freqüências de 50 ou 500 kHz. Uma interpretação simplificada dos estudos teóricos apresentados pelos autores é que, para baixas condutividades, a admitância da cela é essencialmente uma função da condutividade da solução. Por outro lado, para altas condutividades, a sensibilidade da condutividade da solução é praticamente perdida, pois a admitância é determinada pelas capacitâncias da parede do canal[101] na região dos eletrodos (CP).
Além de ser considerado um método de detecção universal[95-105], a C4D também é considerada uma técnica não destrutiva[45] e pode ser acoplada com outros detectores para monitoramento simultâneo. Em sistemas capilares, alguns grupos de pesquisa têm demonstrado a integração de detectores condutométricos com detectores fotométricos[106], ou detectores de fluorescência[107]. Em microchip, a integração de detectores condutométricos e amperométricos também foi demonstrada, por Wang e Pumera[108], para análise de compostos neurotransmissores utilizando microssistemas comerciais de vidro.
As vantagens mencionadas ao sistema de detecção oscilométrica refletem diretamente no número de publicações inseridas no banco de dados da ISI Web of Knowledge. Como pode ser visualizado na Figura 1.8, há um constante aumento no número de publicações referentes ao método de detecção oscilométrico desde 1998. A pesquisa foi realizada com as seguintes palavras-chaves: contactless conductivity detection or contactless conductivity detector or
Os resultados obtidos englobam aspectos instrumentais e aplicações deste tipo de detecção em sistemas de eletroforese capilar, cromatografia líquida de alta eficiência, eletroforese em microcanais, além de alguns trabalhos com análise por injeção em fluxo. Independente do tipo de aplicação, um fato que deve ser considerado é o salto no número de artigos a partir de 2001. Esse ponto de inflexão coincide com o início da implementação da C4D em microssistemas. Em outras palavras, os dados apresentados na Figura 1.8 comprovam que a C4D é uma ferramenta em expansão na atualidade, assim como os microssistemas analíticos.
1998
2000
2002
2004
2006
2008
0
15
30
45
60
V a lo r e s ti m a d oN
ú
m
e
ro
d
e
A
rt
ig
o
s
Ano
Figura 1.8. Evolução do número de publicações com detecção condutométrica sem contato em função do
ano. Os dados foram extraídos do banco de dados da ISI Web of Knowledge usando as seguintes palavras- chave: contactless conductivity detection or contactless conductivity detector or oscillometric detector em 03/07/2008.