UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E HUMANAS
Programa de Pós-Graduação em Ciência & Tecnologia - QuímicaMarlon Cavalcante Maynart
“Estudos eletroquímicos em interface do tipo água/óleo
empregando eletrodo de diamante dopado com boro”
TESE DE DOUTORADO
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E HUMANAS
Programa de Pós-Graduação em Ciência & Tecnologia - QuímicaMarlon Cavalcante Maynart
“Estudos eletroquímicos em interface do tipo água/óleo
empregando eletrodo de diamante dopado com boro”
Tese apresentada ao Centro de Ciências Naturais
e Humanas da Universidade Federal do ABC para
obtenção do Título de Doutor em Ciência &
Tecnologia – Química
Orientador: Prof. Dr. Hugo Barbosa Suffredini
Santo André
Julho / 2013
iv
v Dedicatória
Aos meus pais Antonio Carlos e Eleci, minha irmã Marly, minha sobrinha Ana Victória, sobrinhos Gustavo e Gabriel, minha esposa Priscila pelo amor, apoio, sempre acreditando em minhas realizações,
vi mesmo nas horas mais difíceis. Obrigado a todos!
vii AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por me dar força, saúde, por estar sempre comigo e me ajudar a superar todos os momentos difíceis;
À Universidade Federal do ABC (UFABC) e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia – Química, pela oportunidade concedida para a realização deste trabalho;
Ao Prof. Dr. Hugo Barbosa Suffredini, pela sua valiosa orientação, paciência, dedicação em me acompanhar e ensinar com competência, pela confiança em meu trabalho e agradeço muito pela oportunidade oferecida proporcionando-me aprendizado e crescimento e muito incentivo durante todo o decorrer do trabalho, contribuindo para minha formação em todos os sentidos;
À minha esposa, Priscila Bieleck Rosa Maynart por confiar, acreditar em mim e por ser uma grande incentivadora para que eu pudesse ter chegado até aqui e por continuar me apoiando para seguir em frente;
Aos amigos do grupo de pesquisa Suffredini- Ailton Araujo, Etienne Oliveira, Ivan da Hora, Marcelo José e Rosa Bonatto pelo apoio e colaboração;
Em especial a Rejane Pereira, que me apoiou e colaborou durante todo o desenvolvimento da pesquisa;
À Mônica Assumpção por todas nossas conversas, suas orientações, auxílios e contribuições foram sempre valiosas;
Aos meus amigos Júlio César Martins e Guilherme Buzzo que sempre colaboraram e me proporcionaram momentos de estudos e aprendizado contribuindo com seus conhecimentos, cultura e amizade;
Aos amigos e Professores Dr. Rafael Ferreira e Dra. Sônia Tanimoto pela colaboração no início e desenvolvimento do trabalho, foram valiosos e motivadores este momento;
viii Aos professores Dra. Adriana Correia e Prof. Dr. Pedro Neto por terem me recebido no Grupo de Eletroquímica e Corrosão - GELCORR (Universidade Federal do Ceará) e por todos os ensinamentos me transmitidos durante todo esse processo de aprendizado;
Aos amigos do GELCORR Sâmeque Oliveira e Wirley Ribeiro por colaborar com o desenvolvimento e realização do sistema proposto durante o desenvolvimento deste trabalho;
As professoras Dra. Janaína Garcia e Dra. Lúcia Codognoto pelas suas valorosas contribuições no momento do Exame Geral de Qualificação;
Ao LEMN (Laboratório de Eletroquímica e Materiais Nanoestruturados) pela ajuda, amizade e dedicação, pelas diversas horas boas que passamos juntos e por todos os momentos de alegria, descontração, companheirismo e amizade;
Aos meus colegas de trabalho pelo apoio, colaboração, compreensão e incentivo; As amigas Mirian e Edmilde por me ouvir e dar conselhos e sugestões auxiliando-me nos momentos dos estudos;
A todos que de uma forma ou de outra contribuíram para a realização deste trabalho, em especial à Clóvis Ananias, Juliana Souza, Luanna Parreira, Roseli Hiromi, Tânia Mara, Thiago Cipriano e Vanessa Antonin por toda amizade e trocas de conhecimentos durante diversas vezes;
Em especial aos meus pais Antonio Carlos e Eleci, minha irmã Marly e os meus sobrinhos Ana Victória, Gustavo e Gabriel por terem me incentivado, ensinado e estimulado em todo instante para a conclusão de mais essa etapa em minha vida.
ix Epígrafe
Nossa maior fraqueza está em desistir. O caminho mais certo de vencer é tentar mais uma vez
x RESUMO
Maynart, M.C Estudos eletroquímicos em interface do tipo água/óleo empregando eletrodo de diamante dopado com boro. 2013. 117p. Tese - Programa de Pós-Graduação em Ciência & Tecnologia - Química. Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Santo André.
O presente trabalho descreve estudos visando desenvolver uma nova metodologia eletroanalítica de interface água/óleo empregando o eletrodo de diamante dopado com boro (BDD) em conjunto com a técnica de voltametria de onda quadrada (SWV, do inglês Square Wave Voltammetry) para realizar a detecção de moléculas orgânicas sem necessidade de pré-tratamento das amostras.
Os eletrólitos empregados na pesquisa foram ácido sulfúrico 0,5 mol L-1 para os estudos iniciais referentes a detecção da molécula modelo de ferroceno contaminado artificialmente em uma amostra de biodiesel , a limpeza eletroquímica do eletrodo de trabalho de BDD e para os estudos de detecção do fungicida carbendazim em óleo de soja foi empregado tampão Britton-Robinson (BR) 0,04 mol L-1 ajustado com NaOH 0,2 mol L-1 pH=2,0.
Foi possível realizar a detecção da molécula modelo ferroceno em uma amostra de biodiesel, utilizando-se um eletrodo de BDD na interface biodiesel/eletrólito de suporte. Para este estudo o pré-tratamento catódico não apresentou oscilações importantes de correntes e após 15 minutos o sistema atingiu o equilíbrio. A adição do sal perclorato de lítio (LiClO4) na
fase orgânica (biodiesel) permitiu obter um aumento na intensidade de corrente aproximadamente cinco vezes superior por ser um bom condutor em meio orgânico.
Os melhores parâmetros da SWV obtidos para o desenvolvimento do procedimento de detecção do carbendazim em óleo de soja foram: ƒ=10 s-1, ɑ= 30 mV e ΔEs=3 mV. Amostras de óleo de soja foram contaminadas artificialmente pelo fungicida carbendazim em diferentes concentrações. Para tanto, também se adicionou o sal cloreto de tetra butilamônio – CTBA para avaliar a influência da utilização de um eletrólito na fase óleo nos processos de oxidação do fungicida.
Depois de estabelecer as melhores condições para determinação do carbendazim em óleo de soja, foi observado um pico de oxidação referente ao carbendazim em torno de 1,2 V sendo este um processo irreversível.
Deste trabalho de pesquisa, pôde-se concluir que foi possível realizar a detecção do ferroceno e do carbendazim em meio orgânico, utilizando-se um eletrodo de BDD na interface água/óleo. A adição do sal cloreto de tetra butilamônio (CTBA) permitiu obter melhores sinais de corrente. Verificou-se também que contrariamente aos estudos iniciais o eletrodo de trabalho BDD apresentou melhor desempenho para a detecção do carbendazim, após ter sido submetido a um tratamento superficial anódico.
Observou-se ainda que o fato de influenciar a força iônica do sistema com a saturação do CTBA na fase aquosa pode evitar o efeito de migração do CBZ da fase óleo para a fase aquosa, possibilitando melhores estudos eletroanalíticos futuros.
Desta forma, os resultados obtidos no presente trabalho abre excelentes possibilidades de estudos em interface para aplicações futuras como por exemplo, iniciar um novo protocolo de análises de determinação de pesticidas lipossolúveis, glicerol e outros sem a necessidade de pré-tratamento das amostras.
Palavras-chave: Eletroquímica de Interface, Eletrodo de diamante, Óleo de soja, Carbendazim, Voltametria de Onda Quadrada, Migração.
xi ABSTRACT
Maynart, M.C. “Electrochemical studies of the interface water / oil using boron doped Diamond electrode” 2013. 117p. PhD Thesis – Pos Graduate Program in Science & Technology - Chemistry. Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Santo André.
This work describes the construction of an electroanalytical methodology, aiming to understand the properties of water/oil interfaces using boron doped diamond electrode (BDD) and the square wave voltammetry (SWV) as working tools.
The main objective was to promote the electrochemical detection of fat-soluble contaminants directly in oil, without the need of sample pre-treatment. The oil/water system in this work were 0.5 mol L-1 sulfuric acid/Biodiesel to promote the detection of a model molecule, ferrocene. The ferrocene was artificially contaminated in oil (biodiesel). For BDD electrochemical cleaning and Carbendazim detection, a 0.04 mol L-1 buffer Britton-Robinson (BR) solution, adjusted with 0.2 mol L-1 NaOH, pH 2, was used as water phase. The organic phase was constituted by contaminated soybean oil.
It was possible to detect the ferrocene directly in a biodiesel sample using the BDD electrode at the interface biodiesel/support-electrolyte. In this study, system reached the equilibrium after 15 minutes and the addition of lithium perchlorate salt (LiClO4) in the oil
phase (biodiesel) promoted an increase of current of about five times.
Samples of soybean oil were artificially contaminated by the fungicide Carbendazim in different concentrations. Tetra-butil ammonium chloride (CTBA) salt was also added, aiming to understand the influence of the presence of the salt in the interfacial studies. The SWV optimized parameters for Carbendazim detection were ƒ= 10 s-1, ɑ = 30 mV and ΔEs = 3 mV. An irreversible oxidation peak was observed, related to the Carbendazim oxidation, in a potential of about 1.2 V vs. Ag/AgCl (an irreversible process0.
It can be conclude that was possible to detect ferrocene and Carbendazim directly in an organic sample, using the BDD electrode at the water/oil interface. The addition of the CTBA salt increased the currents of oxidation. Boron-Doped Diamond electrode showed an excellent performance for carbendazim detection, after an anodic surface pre-treatment.
Also, it was also possible to observe that the ionic strength modification by the addition of CTBA in to the aqueous phase can avoid the migration effect of CBZ from the oil phase to the aqueous phase.
Thus, this type of research opens new possibilities of interface study for several applications, without the need of sample pre-treatment.
Keywords: Interface electrochemical, Diamond electrode, Soy oil, Carbendazim, Square wave voltammetry, Migration.
xii LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - (a) Semente de soja e óleo (b) semente de soja ... 25
Figura 2 - (a) Colletotrichum dematium var truncata e (b) Homopsis spp... 29
Figura 3 - Patógeno da soja Cercospora kikuchii soja... 30
Figura 4 - Fórmula Estrutural do Carbendazim – CBZ ... 36
Figura 5 - (A) Variação do potencial com o tempo em voltametria cíclica. (B) Voltamograma cíclico para um sistema reversível - adaptado de BRETT[57]. ... 42
Figura 6 – Representação esquemática da voltametria de onda quadrada, onde: 1) potencial na forma de onda, 2) escada de potencial, 3) forma de aplicação do potencial na SWV, 4) forma da onda da corrente, 5) sinal da corrente, 6) corrente diferencial e 7) corrente total. ... 47
Figura 7 - Forma de aplicação de potencial na voltametria de onda quadrada [60]. ... 48
Figura 8 - Voltamogramas de onda quadrada esquemáticos para um sistema reversível (A) e para um sistema totalmente irreversível (B). ... 48
Figura 9 - Estruturas moleculares para os compostos (A) Ferroceno e (B) Perclorato de lítio. ... 66
Figura 10- Foto do eletrodo de BDD com área de 0,2 cm2, utilizado nas medidas voltamétricas. ... 68
Figura 11 - Foto do contra eletrodo de platina utilizado nas medidas voltamétricas. ... 70
Figura 12 - Representação esquemática da célula eletroquímica utilizada em todos os estudos eletroquímicos realizados. ... 71
Figura 13 - Representação da célula eletroquímica de um compartimento com BDD, demonstrando (a) A imersão do eletrodo BDD no fundo da solução, (b) a adição de uma gota (c) colocação do BDD na interface... 71
Figura 14 - Voltamograma cíclico para o eletrodo de diamante dopado com boro em ácido sulfúrico 0,5 mol L-1. Os limites de decomposição da água aparecem em entre cerca de -1,0 V e 2,3 V vs Ag/AgCl (KCl 3,0 mol L-1). ... 76
Figura 15 - SWV para o sistema interfacial do biodiesel com ferroceno (linha vermelha) (ƒ = 100 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV) ... 77
Figura 16 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial obtido para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0 x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=2 (ƒ = 10 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 77
Figura 17 - Correntes de pico de oxidação (voltametria de onda quadrada interfacial) do ferroceno 1,0 x10-4 mol L-1 em biodiesel na interface óleo/eletrólito de suporte (H2SO4 0,5 mol L-1) após realizados os tratamentos (a) catódico e (b) anódico na superfície do BDD. .... 80
Figura 18 - SWV para o sistema interfacial, linha de base do BDD na interface biodiesel/eletrólito de suporte , (linhas violeta e verde). resposta do biodiesel com ferroceno [1,0x10-4 mol L-1](linha preta), Efeito positivo da adição de perclorato de lítio [1,0x10-3 mol L-1 ] na fase orgânica combinado com ferroceno [1,0x10-4 mol L-1 ] em eletrólito de H2SO4 0,5 mol L-1 (ƒ = 100 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 81 Figura 19 - Voltamograma de onda quadrada para o sistema interfacial a linha pontilhada representa o efeito obtido com o BDD com sua superfície em solução aquosa a linha vermelha
xiii representa a resposta eletroquímica para os estudos com o BDD na interface para amostra contendo biodiesel com ferroceno cuja concentração é de 1,0x10-4 mol L-1 (ƒ = 100 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). aaaaaaaaaaaaa ... 82 Figura 20 - (a) Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial (realizado na mesma solução) demonstrando a variabilidade a frequência. (b) A dependência da corrente com a raiz quadrada da frequência (ƒ = 100 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 84 Figura 21 - Dependência da corrente de pico com frequência para o carbendazim (a = 50 mV e ΔEs = 5mV) em tampão BR 0,04 mol L-1. ... 86 Figura 22 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial obtidos para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0 x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=2 (ƒ = 10 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 87 Figura 23 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial obtidos para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0 x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=6 (ƒ = 10 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 88 Figura 24 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial obtidos para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=10 (ƒ = 10 Hz; a = 50 mV e ΔEs = 5mV). ... 89 Figura 25 - Relação entre intensidade de pico e amplitude dos pulsos de potencial obtidos a partir de Voltamogramas de onda quadrada para um sistema interfacial obtidos para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=2 de concentração 0,04 mol L-1(ƒ = 100 s-1; ΔEs = 2mV). ... 90
Figura 26 - Relação entre intensidade da corrente de pico e incremento de potencial obtida a partir dos voltamogramas de onda quadrada para um sistema interfacial obtidos para uma amostra contendo óleo de soja contaminado por carbendazim 1,0x10-3 mol L-1 em tampão BR pH=2 em diferentes incrementos de potencial (ƒ = 100 s-1; ɑ= 5mV). ... 91 Figura 27 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial a curva da linha pontilhada (azul) representa estudo de detecção do carbendazim 1x10-3 mol L-1 em óleo sob a influência do sal CTBA 1x10-3 mol L-1 e a linha tracejada (vermelha) representa a corrente da amostra contendo óleo e carbendazim apenas. Parâmetros: a = 30mV, ΔEs = 3mV e ƒ= 10 s-1
. ... 93 Figura 28 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial as curvas representam as variações do pico de oxidação contendo óleo de soja com carbendazim em presença de CTBA 1,0 x10-3 mol L-1 na interface água/óleo com variação em relação ao intervalo de tempo: (a) 10min, (b) 15 min, (c) 20 min, (d) 25 min, (e) 30 min, (f) 35 min. Parâmetros: a = 30mV, ΔEs = 3mV e ƒ= 10 s-1
. ... 95 Figura 29 - Voltamograma de onda quadrada para um sistema interfacial as curvas da figura representam as variações do pico de oxidação contendo óleo de soja com carbendazim de concentração de 1,0x10-3 mol L-1 em presença de CTBA saturado na fase óleo de concentração 0,1 mol L-1 na interface água/óleo. Parâmetros: a = 30mV, ΔEs = 3mV e ƒ= 10
s-1. ... 97 Figura 30 - Voltamogramas de onda quadrada realizados utilizando o eletrodo de BDD. As respostas obtidas representam as variações do pico de oxidação contendo óleo de soja com carbendazim de concentração de 1,0 x10-3 mol L-1 em presença de CTBA saturado na fase aquosa de concentração 2 mol L-1 na interface água/óleo (Força iônica superior 50 vezes na
xiv fase água, quando comparada com a (Figura 29) Parâmetros: a = 30mV, ΔE = 3mV e ƒ= 10 s -1
. ... 98 Figura 31 - Correntes de pico de oxidação (voltametria de onda quadrada interfacial) do óleo contendo carbendazim em presença de CTBA saturado 0,1 mol L-1. ... 99 Figura 32- Voltamogramas de onda quadrada realizados utilizando o eletrodo de BDD. As curvas obtidas representam as variações do pico de oxidação contendo óleo mineral com carbendazim de concentração de 1x10-3 mol L-1 em presença de CTBA concentração de 1,0x10-3 mol L-1. Parâmetros: a = 30mV, ΔE = 3mV e ƒ= 10 s-1. ... 101 Figura 33 - Espectro de UV-Vis obtido para o carbendazim 1,0x10-3 mol L-1 em óleo mineral obtido entre 350 a 200 nm. ... 102 Figura 34 - Espectro de UV-Vis obtido para o carbendazim 1x10-3 mol L-1 em óleo mineral, obtido a partir de uma amostra contida na célula eletroquímica em diferentes intervalos entre 350 a 200 nm. ... 103
xv LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação Toxicológica dos pesticidas [35] - Adaptado ... 33
Tabela 2 - Classificação toxicológica inalatória para pesticidas [35]. ... 33
Tabela 3 - Classificação tipo de pesticida e suas aplicações ... 35
Tabela 4 - Características do CBZ disponível comercialmente ... 36
Tabela 5 - Comprimento de onda aproximado das cores ... 59
Tabela 6 - Parâmetros da Voltametria de onda quadrada investigados e os valores selecionados para a determinação do carbendazim em óleo de soja. ... 92
xvi LISTA DE ABREVIATURAS
ΔEs = Incremento de Varredura a = Amplitude
Anvisa = Agência Nacional de Vigilância Sanitária
BDD = Boron Doped Diamond (Diamante Dopado com Boro) CBZ = Carbendazim
CTBA = Tetra Cloreto de Butilamônio
CV = Cyclic Voltammetry (Voltametria Cíclica)
CVD = Chemical Vapor Deposition (Deposição Química a Vapor) Ep = Potencial de Pico
ƒ = Frequência de Aplicação de Pulso de Potencial Ip = Corrente de pico
PTA = Pré-Tratamento Anódico PTC = Pré-Tratamento Catódico
SWV = Square Wave Voltammetry (Voltametria de Onda Quadrada) Tampão BR = Tampão de Britton-Robinson
v = Velocidade de Varredura
DPV = Differential Pulse Voltammetry (Voltametria de Pulso Diferencial) MPA = Multiple Pulse Amperometry (Amperometria de Múltiplos pulsos) MBC = Metil Benzimidazol-2il Carbamato
ANP = Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
IUPAC = International Union of Pure and Applied Chemistry (União Internacional de Química Pura e Aplicada)
CLAE = Cromatografia Líquida de Alta Eficiência UV= Ultra Violeta
xvii Sumário
Folha de Assinaturas ... Erro! Indicador não definido.
Declaração de atendimento as observações ... iv
Dedicatória... v
AGRADECIMENTOS ... vii
Epígrafe ... ix
RESUMO... x
ABSTRACT ... xi
LISTA DE FIGURAS ... xii
LISTA DE TABELAS... xv
LISTA DE ABREVIATURAS ... xvi
1. INTRODUÇÃO ... 19
1.1 Considerações Iniciais ... 20
1.2 – Óleos e Gorduras ... 23
1.2.1– Óleo de soja ... 24
1.2.2 – Biodiesel ... 26
1.2.3– Óleo de soja e a utilização de pesticidas em sua cultura ... 28
1.3 – Pesticidas ... 30
1.3.1 – Classificação dos Pesticidas ... 34
1.3.2 – Carbendazim ... 35
1.4 – Técnicas Eletroanalíticas ... 39
1.4.1 – Voltametria Cíclica (CV) ... 41
1.4.2 –Voltametria de onda quadrada (SWV) ... 42
1.5 – Eletrodo de diamante dopado com boro (BDD) ... 51
1.6 – Eletroquímica de interface Líquido/Líquido ... 54
1.7 – Espectrofotometria Ultravioleta – Visível ... 58
2. OBJETIVOS ... 61 2.1 Objetivo Geral ... 62 2.2 Objetivos Específicos ... 62 3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 63 3.1. Reagentes e soluções ... 64 3.1.1 Eletrólito Suporte ... 64
xviii
3.1.2 Síntese do biodiesel utilizando catálise homogênea metílica alcalina ... 65
3.1.3 Solução estoque de biodiesel contendo ferroceno ... 65
3.1.4 Solução estoque de biodiesel contendo ferroceno em presença de perclorato de lítio ... 65
3.1.5 Solução estoque de óleo de soja contendo carbendazim – CBZ ... 67
3.1.6 Solução estoque de óleo de soja contendo carbendazim em presença de cloreto de tetrabutilamônio – CTBA ... 67
3.2 Instrumentação ... 68
3.2.1 – Eletrodos ... 68
3.3 – Sistema eletroquímico ... 70
3.3.1– Voltametria Cíclica e de Onda Quadrada ... 72
3.4– Espectrofotometria de Absorção na região do UV-Vis ... 73
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 74
4.1 Janela eletroquímica de potencial do eletrodo de BDD ... 75
4.2 – Comportamento eletroquímico do eletrodo de BDD ... 76
4.2.1 – Estudo do comportamento eletroquímico das amostras biodiesel com ferroceno e óleo de soja contaminado por carbendazim sobre o eletrodo de BDD. ... 76
4.3.1 – Estudo do efeito do pré-tratamento anódico e catódico dos analitos sobre o comportamento eletroquímico do eletrodo de BDD ... 78
4.4 – Procedimentos Eletroanalíticos ... 78
4.4.1 – Detecção de ferroceno em biodiesel empregando as técnicas de eletroquímica de interface e voltametria de onda quadrada (SWV) e o eletrodo BDD tratado catodicamente ... 78
4.4.2 – Estudos dos parâmetros de detecção de CBZ em óleo de soja empregando as técnicas de eletroquímicas de interface e voltametria de onda quadrada (SWV) e o eletrodo BDD tratado anodicamente ... 85
4.4.3 – Estudos de detecção do fungicida carbendazim em óleo de soja utilizando eletroquímica de interface ... 92
4.4.4 – Espectrofotometria de UV-Vis na detecção do CBZ em óleo mineral– Método comparativo ... 100
5. CONCLUSÕES ... 104
6. CONTRIBUIÇÕES DESTA TESE ... 108
7. REFERÊNCIAS... 109
19
20 1.1 Considerações Iniciais
A crescente demanda por alimentos tornou-se um problema de ordem global enfrentado por muitas nações. Nesse contexto, a agricultura moderna passou a utilizar diferentes técnicas e insumos a fim de minimizar as perdas na produção. Desta forma, os pesticidas têm se tornado um importante agente de proteção das plantas para aumentar a quantidade e a qualidade da produção de alimentos. Estes compostos, porém, devido ao uso contínuo e abusivo, deixam resíduos nos alimentos, que são na sua maioria, potencialmente tóxicos ao homem, podendo causar efeitos adversos ao sistema nervoso central, ter ação imunodepressora, ser cancerígeno, entre outros males [1].
Entre os produtos agrícolas que alimentam a população mundial, destaca-se a soja. Esta leguminosa apresenta alto valor nutritivo, com uma composição química rica em óleos, vitaminas, alguns minerais como cálcio e ferro, e teor proteico superior a 34%. Associado ao processo de cultura de diversos alimentos a utilização de pesticidas visam prevenir impactos as diferentes culturas, mas no entanto é importante preservar a saúde da população e assim são necessários métodos eficientes e rápidos para determinação dos pesticidas presentes na água, no solo e nos alimentos como a soja por exemplo. Uma das etapas mais demoradas deste processo é a extração dos pesticidas, que consiste em um desafio, pois requer o uso de pequenas quantidades de solventes orgânicos e concentrações dos pesticidas para que as baixas concentrações dos analitos presentes em grande quantidade de interferentes possam ser detectadas.
A utilização de pesticidas constitui um problema ambiental devido à toxidade destes produtos. Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), dados apontam que o Brasil possui uma grande expansão no mercado de consumo de agrotóxicos do mundo, correspondendo a um aumento de 176% na última década, ou seja, quatro vezes mais do que a
21 média mundial. Além disso, o país ocupa a sexta posição na importação de pesticidas [2]. Estes agentes de controle de pragas possuem a finalidade de prevenir a ação ou destruir direta ou indiretamente insetos, ácaros, roedores, ervas daninhas, bactérias e outras formas de vida animal ou vegetal que prejudicam a lavoura [3]. Os pesticidas também podem ser utilizados nas etapas de armazenamento e transporte de alimentos.
Buscando a diminuição dos efeitos negativos no ambiente, existe a necessidade de métodos de monitoramento e quantificação, tanto no ambiente terrestre como no aquático. A análise de resíduos de pesticidas, nos mais diferentes meios, é tradicionalmente realizada por técnicas de cromatografia, pois a análise eletroquímica em óleo não é uma técnica convencional, requerendo-se estudos e desenvolvimento de novas pesquisas [4]. As técnicas cromatográficas constituem um conjunto de ferramentas relacionadas à separação e análise de uma larga variedade de analitos em diferentes matrizes. A importância atribuída a estas técnicas na análise ambiental refere-se à facilidade em efetuar as separações, identificar e quantificar as diferentes espécies presentes na amostra.
Por outro lado, são necessárias várias etapas de pré-tratamento das amostras, além de técnicas auxiliares para a identificação precisa como, por exemplo, a cromatografia acoplada ao espectrômetro de massa [5]. Porém devido ao seu alto custo, são desejáveis pesquisas que possam trazer subsídios para indicar novas técnicas capazes de detectar e/ou quantificar a presença de pesticidas em águas, solos ou alimentos como a soja fonte deste trabalho de pesquisa.
Em contrapartida, a sensibilidade das técnicas eletroanalíticas, como a voltametria de onda quadrada é capaz de fornecer limites de detecção relativamente altos permitindo realizar detecções em baixas concentrações e sua instrumentação pode ser simples e oferecer menor custo.
22 Paralelamente dentre as técnicas cromatográficas citadas anteriormente as eletroanalíticas possuem diversas vantagens tais como: baixo custo, rapidez, não necessita de etapas de pré-tratamento de amostra, além de possibilitarem limites de detecção que permitem trabalhar com amostras em baixas concentrações [4,6]. Uma das técnicas eletroanalíticas que se destaca é a voltametria de onda quadrada (SWV, do inglês Square Wave Voltammetry).
A SWV possui vantagens como a possibilidade de obtenção de corrente de pico definidas em altas velocidades de varredura com melhor sensibilidade e diminuição do ruído de fundo, sendo isso possível através da medida da corrente elétrica ao final do pulso direto e reverso, o que origina um pico simétrico com posição, largura e altura característico do sistema avaliado [7, 8].
O crescimento das técnicas eletroanalíticas é devido principalmente, ao desenvolvimento da instrumentação eletroanalítica. Técnicas como a voltametria de onda quadrada (SWV), a voltametria de pulso diferencial (DPV) e a amperometria a de múltiplos pulsos (MPA) possibilitam a aquisição de dados com sensibilidade comparável as obtidas com o emprego de técnicas cromatográficas de separação e detecção, o que permite análise em água, solo, alimentos e, até mesmo, compostos de interesse biológico [7,9].
Ao se empregar as técnicas eletroanalíticas, deve-se levar em consideração algumas informações relacionadas ao eletrodo de trabalho: a janela de potencial de trabalho, a condutividade elétrica, a reprodutibilidade da superfície, as propriedades mecânicas, o custo de fabricação, a disponibilidade e a toxicidade [8,10]. Segundo Galli e colaboradores [11], a escolha do material do eletrodo de trabalho é de grande importância devido ao fato de que as respostas obtidas são relacionadas às reações redox que ocorrem em sua superfície ou na interface eletrodo-solução. Desta forma, o analito de interesse pode interagir com a superfície eletródica, resultando em transferência heterogênea de elétrons.
23 Existem vários tipos de materiais utilizados como eletrodos: de platina, mercúrio, de carbono vítreo, grafite pirolítico, pasta de carbono, entre outros. Porém nos últimos anos novos tipos de materiais de carbono têm sido utilizados como eletrodo de trabalho, chamando a atenção devido aos excelentes resultados que têm sido apresentados. Um destes materiais é o diamante dopado com boro (BDD, do inglês Boron Doped Diamond), o qual possui um número importante de propriedades eletroquímicas distinguíveis das de outros eletrodos comumente utilizados, tais como carbono vítreo, platina e pasta de carbono [4,6,12].
Desenvolver estudos de eletroquímica em interfaces do tipo água/óleo, que permita detectar contaminantes em diversas amostras como óleo de soja, por exemplo torna-se um tema de muita importância. Tendo em vista as características dos eletrodos de diamante dopado com boro e os relatos de sua boa interação com compostos orgânicos, surge o interesse de se desenvolver estudos de eletroquímica na interface água/óleo empregando o eletrodo de diamante dopado com boro (BDD) como ferramenta de trabalho para aplicações analíticas, diretamente em óleo, como no caso deste trabalho de pesquisa proposto.
1.2 – Óleos e Gorduras
Óleos e gorduras são substâncias de origem vegetal, animal ou microbiana, insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos. A primeira distinção entre um óleo e uma gordura é baseada na sua aparência física [13].
De um modo geral, os principais fatores para determinar se um lipídio é uma gordura ou um óleo, é o seu grau de insaturação e seu ponto de fusão. Assim, um lipídio contendo alto grau de ácidos graxos saturados será sólido em temperatura ambiente, com moderado grau de insaturação pode tornar-se sólido no refrigerador, enquanto que uma alta insaturação possibilita-lhe permanecer líquido no congelador [14,15].
24 Óleos vegetais são uma espécie de gordura obtida através das plantas entre as inúmeras oleaginosas que se tem conhecimento na literatura, as mais comumente usadas são as de: soja, canola, milho, mamona, girassol, amendoim, algodão, palma, babaçu, entre muitos outros vegetais em forma de sementes, amêndoas ou polpas. Recentemente na busca por alternativas de combustíveis menos poluentes e renováveis, o óleo vegetal se tornou uma ótima opção [14].
As gorduras e óleos de animais são semelhantes, nas suas estruturas químicas aos óleos vegetais, sendo diferenciados na distribuição e nos tipos dos ácido graxos combinados com o glicerol; assim podem, por exemplo, serem ser transformados em biodiesel: sebo bovino, óleo de peixe, banha de porco, entre tantas outras possibilidades.
Os óleos usados e gorduras residuais são os resultantes de processamentos domésticos, comerciais e industriais, como de: lanchonetes, restaurantes e cozinhas industriais, comerciais e domésticas (frituras de alimentos). Esgotos ricos em matéria graxa podem ser usados para extrair óleos e gorduras, águas residuais de processos industriais de alimentos, como de pescados, couros, etc.
Todas essas matérias-primas são compostas por triacilglicerídeos, proveniente de fontes de lipídios renováveis. Com destaque a soja fonte de estudos desta pesquisa será apresentada nas seções seguintes.
1.2.1– Óleo de soja
A soja é um dos produtos agrícolas mais antigos que o homem conhece. Sua planta Figura 1, pertence à classe Dicotiledónea, subclasse Archichlamydae, ordem Rosales, subordem Leguminosinae, família Leguminosae, subfamília Papilionaceae, tribo Phaseoleae, gênero Glycine L., subgênero Glycine (Moench).
25 a) b)
Figura 1 - (a) Semente e óleo de soja, (b) semente de soja
O cultivo da soja originou-se na região leste da China, o qual passou por evolução entre duas espécies de soja selvagem, que foram domesticadas e melhoradas por cientistas da antiga China. Sua importância na dieta alimentar da antiga civilização chinesa era tão intensa que a soja, juntamente com o trigo, o arroz, o centeio e o milho era considerada um grão de alta necessidade.
A soja possui excelente capacidade de adaptação, semelhante ao cultivo de feijão, preferindo terras sílico-argilosas férteis, nunca úmidas e nem ácidas, podendo ainda ser semeadas duas vezes ao ano. O grão possui textura macia, sabor pouco amargo, elevados teores de ácido ascórbico e β-caroteno e baixas quantidades de fatores antinutricionais, com 17-19% de proteínas e 35-40% de gordura [16].
Cerca de 99% dos triacilglicerídeos presentes no óleo de soja, são compostos pelos ácidos graxos: esteárico, linolênico, palmítico, oleico e linoleico [16]. No Brasil, a introdução da Soja iniciou-se com os primeiros materiais genéticos vindo dos Estados Unidos e testados no Estado da Bahia em 1882.
A soja é hoje umas das culturas que mais cresceu nos últimos anos, em todo o mundo, chegando a uma produção superior a 267 milhões de toneladas. Atualmente, é a única oleaginosa com escala produtiva suficiente para produzir de imediato biocombustíveis como o
26 biodiesel fonte de novas tecnologias. Isso ocorre porque cerca de 90% da produção brasileira de óleo é derivado dessa matéria-prima. A soja domina o mercado mundial tanto de proteína vegetal como o de óleo comestível. O Brasil desde o ano de 2004 ocupa o segundo lugar de maior produtor de soja do mundo, com uma produção estimada pela Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB) de aproximadamente 81 milhões de toneladas safra (2012/2013), que vem a suprir o seu mercado interno e ainda exportar para diversos países no mundo.
Portanto, o óleo de soja, que surgiu como um subproduto do processamento do farelo tornou-se um dos líderes mundiais no mercado de óleos. O mesmo possui inúmeras aplicabilidades, e sendo também fonte de matéria-prima para as margarinas, maionese, sucos diversos entre outros [17]. A soja apresenta um papel de destaque na cultura humana, seja pelo aspecto alimentar ou pelo desenvolvimento de pesquisas e tecnologias inovadoras, como, por exemplo, para a produção do biodiesel, constituindo uma das amostras deste trabalho de pesquisa.
1.2.2 – Biodiesel
Biodiesel é um combustível que representa uma alternativa interessante ao diesel de petróleo convencional. A utilização do biodiesel não requer nenhuma modificação nos motores diesel, distribuição de combustíveis existentes ou infra-estrutura de armazenamento [18].
Este combustível é largamente produzido através de reações de transesterificação, qual ocorre, entre triacilglicerol e um álcool normalmente de cadeia curta como metanol e etanol [19]. No Brasil, a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), através da lei no 11.097 de 13 de Janeiro de 2005, definiu o Biodiesel como sendo:
27 ―Biocombustível derivado da biomassa renovável para uso em motores a combustão interna ou, conforme regulamento para outro tipo de geração de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustível de origem fóssil‖.
Quimicamente, o biodiesel pode ser definido como um combustível alternativo constituído por ésteres alquílicos de ácidos carboxílicos de cadeia longa, proveniente de fontes renováveis como óleos vegetais, gordura animal e/ou residual, cuja utilização está associada à substituição de combustíveis fósseis em motores de ignição por compressão. Segundo Wang e seus colaboradores [20], o biodiesel aponta algumas vantagens e desvantagens sendo algumas delas:
a) Vantagens
Ausência de enxofre e compostos aromáticos. Desta forma, nos proporcionam uma combustão limpa, e sem a formação de SO2 (gás que provoca a chuva ácida),
e de compostos cancerígenos (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos);
Apresenta expressiva melhora na lubrificação do motor, proporcionando maior longevidade do mesmo e seus entornos.
b) Desvantagens
O biodiesel possui um menor poder calorifico. Todavia, está desvantagem é bastante pequena em torno de 5% em relação ao diesel convencional;
Cristalização em baixas temperaturas: Em regiões de clima muito frio, a viscosidade do biodiesel aumenta bastante. Assim como o diesel, podem ocorrer formações de pequenos cristais, que se unem e impedem o bom funcionamento do motor. Porém existem diversas precauções que podem ser tomadas para
28 contornar este problema. Como por exemplo, o uso de aditivo ou de mistura biodiesel/diesel mineral, dentre outros.
Recentemente tem sido necessário uma melhor verificação na qualidade deste biocombustível devido sua crescente demanda no mercado internacional e normalmente tais técnicas empregadas para estabelecer este melhor controle são as cromatográficas que visam controlar a presença de resíduos como a de presença de catalisadores, glicerol e pesticidas como por exemplo o clorotalonil, largamente empregado na cultura da soja [21,22]. Em 2009, um método eletroquímico foi proposto por Lourenço e colaboradores Para a detecção de glicerol em biodiesel [23].
A primeira etapa desta pesquisa visou desenvolver uma metodologia utilizando eletroquímica de interface água/óleo para promover a detecção direta de uma molécula modelo (nesse caso, ferroceno) em biodiesel sem qualquer pré-tratamento das amostras empregadas na pesquisa. Mais informações sobre a molécula modelo (ferroceno) será detalhada nas seções seguintes.
Na literatura muitos trabalhos que empregam estudos eletroquímicos referente aplicações em biodiesel são encontrados. Ballote e colaboradores [24] estudaram a corrosão do alumínio que estava exposta a uma amostra de biodiesel empregando curvas de polarização. Su e colaboradores [25] estudaram os processos de oxidação do glicerol utilizando nanofibras de paládio/dióxido de titânio como catalisador.
1.2.3– Óleo de soja e a utilização de pesticidas em sua cultura
A soja é uma cultura que tem sido atacada por várias pragas, que pode ocorrer durante todo o seu ciclo. Mais de 300 espécies de insetos já foram identificados alimentando-se nas lavouras ou nos grãos armazenados.O controle de pragas da cultura visa evitar o incremento da população e que se alcance o chamado nível de dano econômico, que é o ponto
29 em que o ataque da praga começa a causar prejuízos econômicos ao produtor. A falta de cuidados fitossanitários e a rápida expansão da cultura da soja, nas últimas três décadas permitiram que, na sua maioria, os patógenos da soja fossem disseminados através das sementes a todas regiões produtoras [26].
A maioria dos patógenos é transmitida através das sementes e, portanto, o uso de sementes sadias ou o tratamento das sementes é essencial para a prevenção ou a redução das perdas. Os exemplos mais evidentes de doenças que são disseminadas através das sementes são a antracnose (Colletotrichum dematium var), a seca da haste e vagem (Phomopsis spp.), a mancha púrpura da semente e o crestamento foliar de Cercospora (Cercospora kikuchii), a mancha ―olho-de-rã‖ (Cercospora sojina), a mancha parda (Septoria glycines) e o cancro da haste (Diaporthe phaseolorum f.sp. meridionalis) segue abaixo alguns exemplos:
a) b)
Figura 2 - (a) Colletotrichum dematium var truncata e (b) Homopsis spp.
O tratamento de sementes com fungicidas, além de controlar patógenos importantes transmitidos pela semente, é uma prática eficiente para assegurar populações adequadas de plantas. A eficiência de diversos fungicidas e/ou mistura desses, no controle de alguns dos principais patógenos transmitidos pela semente de soja demonstram ser eficientes em impedir e inibir a ação de fungos que geralmente atacam as plantas como os representados nas Figura 2 e Figura 3.
30
Figura 3 - Patógeno da soja Cercospora kikuchii soja.
A implantação adequada da cultura da soja, com diminuição de riscos e com possibilidades de retorno econômico, depende da correta utilização de diversas práticas. O bom preparo do solo ou a utilização correta de herbicidas e a boa regulagem da semeadora (densidade e profundidade) são práticas essenciais, estando o seu sucesso condicionado à utilização de sementes de boa qualidade [27]. O uso intensivo como por exemplo do solo com a cultura da soja e a falta de manejo adequado tem provocado reduções dos teores de matéria orgânica e aumentado a acidez dos solos. Como consequência, a ocorrência de deficiência de alguns micronutrientes essenciais à cultura da soja e, especialmente, ao processo de fixação simbiótica, tem acontecido com frequência, em várias regiões do Brasil.
Dentre os grupos de pesticidas testados e hoje recomendados para o tratamento de sementes de soja são: benomil, tiabendazol, tebuconazol e carbendazim sendo este fonte de estudos deste projeto de pesquisa, são os mais eficientes no controle de pragas e contaminantes que possam prejudicar o desenvolvimento da cultura da soja. O seu papel como fungicida é proteger a semente contra fungos que geralmente atacam as plantas. A utilização de fungicidas sintéticos é muito comum na agricultura convencional e representa um sério risco ao homem e ao meio ambiente.
1.3 – Pesticidas
Os pesticidas fazem parte do conjunto de tecnologias associadas à modernização da agricultura e o uso generalizado destes ocasionaram muitos problemas que começaram a ser
31 diagnosticados, entre eles, a contaminação de solos, água e alimentos. A permanência no ambiente está relacionada às características físico-químicas destes produtos, bem como as do ambiente, que definem processos de transporte, retenção e transformação entre compartimentos ambientais.
De acordo com a União Internacional de Química Pura e Aplicada - (IUPAC):
―Pesticidas são substâncias ou mistura de substâncias utilizadas na produção, colheita ou no armazenamento de alimentos. Eles são bioativos e capazes de prevenir, destruir ou combater espécies indesejáveis que, de alguma maneira, possam interferir na produção, no processamento, armazenamento, transporte e estocagem de alimentos, produtos agrícolas em geral, madeira e produtos derivados de madeira‖ [28].
A utilização de pesticidas constitui um problema ambiental devido à toxidade destes produtos, atualmente mais de 650 ingredientes ativos são utilizados mundialmente na formulação de pesticidas e estão registrados para usos específicos na agricultura [29, 30]. Desses, 350 contribuem com 98% dos pesticidas utilizados, sendo que 80% deles rotineiramente usados na agricultura de países da América do Sul, como o Brasil. Os pesticidas abrangem uma ampla variedade de substância químicas com diferentes grupos funcionais, modos de ação, biotransformação e eliminação [30]. Dentre estas classes de substâncias, podemos citar os organoclorados, organofosforados, piretróides, bipiridílios, triazinas, clorofenóis e os carbamatos fonte de estudos desta pesquisa. A maior parte desses compostos pode causar riscos à saúde humana e ao meio ambiente, os quais, na maioria das vezes, não são aparentes ou estudados com profundidade necessária [30,31].
Muitos dos problemas de poluição ambiental em diferentes meios naturais são causados por traços de contaminação por pesticidas, devido às propriedades de toxidade e
32 bioacumulação. A demanda crescente por alimentos tem motivado o uso de um grande número de substâncias que são capazes de eliminar ou prevenir formas de vida animal ou vegetal indesejáveis nas culturas agrícolas, constituindo atualmente a principal estratégia no campo para o combate e a prevenção de pragas agrícolas, garantindo alimento em quantidade e qualidade para a população [29,32].
Evidentemente, os pesticidas atingem o solo podendo seguir diferentes rotas que os levam a alcançar os ambientes aquáticos por meio do escoamento superficial do solo, sendo conduzidos para os lençóis freáticos, onde os processos de descontaminação ainda são muito remotos. Além disso, com destaque ao foco principal desta pesquisa, à contaminação de, alimentos como a soja que por sua vez são conduzidos à cadeia alimentar e, dependendo do grau de contaminação, pode trazer danos irreversíveis à saúde humana.
Um dos fatores que constitui a essência para a avaliação toxicológica de um pesticida é a sua Dose Letal (DL50), sendo a mais preocupante a aguda oral. Esta dose geralmente é
expressa em função da massa do agente tóxico inoculada (mg) por unidade de massa corpórea da espécie em estudo (Kg). Os testes toxicológicos são realizados em camundongos ou cobaias e extrapolados para seres humanos, já que as reações comportamentais são extremamente parecidas com a sensibilidade dos organismos humanos.
A literatura informa que os inseticidas apresentam DL50(aguda oral) variando entre 1 -
500 mg kg-1, enquanto que os fungicidas e herbicidas apresentam DL
50acima de 5000 mg kg-1,
com raras exceções [33,34]. Legalmente, os pesticidas são classificados em quatro classes toxicológicas indicadas por rótulos compostos por faixas coloridas, os quais são indicativos do grau de toxicidade conforme mostra a Tabela 1.
33
Tabela 1 - Classificação Toxicológica dos pesticidas [35] - Adaptado
Classe Categoria e Faixa
Dl50 Oral (mg Kg-1) Sólido Dl50 Oral (mg Kg-1) Líquido Dl50 Dermal (mg Kg-1) Sólido Dl50 Dermal (mg Kg-1) Líquido I Extremamente Tóxico <5 <20 <10 <40 II Altamente Tóxico 5 a 50 20 a 200 10 a 100 40 a 400 III Mediamente Tóxico 50 a 500 20 a 2000 100 a 1000 400 a 4000 IV Pouco Tóxico >500 > 2000 >1000 >4000
Outro termo bastante utilizado é a Concentração Letal (CL50). No reino Unido foi feita
a proposta de classificação toxicológica inalatória para os pesticidas que se encontram no estado gasoso ou na forma de aerossóis [35].Os dados apresentados na Tabela 2 são baseados na inalação por ratos durante 4 horas de exposição da CL50.
Tabela 2 - Classificação toxicológica inalatória para pesticidas [35]. Toxidade Concentração CL50 (mg L -1 ) Muito Tóxico < 0,5 Tóxico 0,5 a 20 Pouco Tóxico 2,0 a 20
Como apresentado anteriormente os principais métodos de análise de pesticidas são os cromatográficos, destacando-se as cromatografias gasosa e líquida. Estes métodos são baseados em técnicas de separação fundamentada a migração diferencial dos componentes de uma mistura. A cromatografia líquida aliada a métodos de extração [36,37]. Tais métodos são precisos, sensíveis e seletivos, mas trabalhosos e relativamente caros. As técnicas eletroanalíticas tem sido também utilizadas como métodos de detecção e quantificação de
34 pesticidas em águas puras, naturais, solos, frutas e diferentes tipos de alimentos [7, 32]. De acordo com Souza e colaboradores a principal vantagem desses métodos é a possibilidade de se determinar a concentração do pesticida diretamente na amostra, sem pré-tratamentos ou separações químicas [7].
Em particular, é possível analisar materiais coloridos ou mesmo amostras contendo partículas sólidas dispersas. Em geral, as técnicas eletroanalíticas são menos seletivas e sensíveis que as cromatográficas, mas são mais rápidas e baratas. A seletividade é expressa pelo potencial de redução ou oxidação que são característicos para cada substância e condição experimental e a sensibilidade pela corrente das ondas ou picos gerados dos processos eletroquímicos que ocorrem no eletrodo.
1.3.1 – Classificação dos Pesticidas
É indiscutível que todos os pesticidas têm a propriedade comum de bloquear um processo metabólico vital dos organismos para os quais são tóxicos. Nesse contexto, dentre as diversas formas de classificação para pesticidas apresenta-se aqui a mais comum, que se fundamenta no organismo alvo. Desta forma os pesticidas são todas as substâncias ou misturas de substâncias que tem como objetivo principal impedir, destruir, e ou repelir qualquer tipo de praga que estiverem destruindo uma plantação e são classificados em diferentes tipos como descrito na Tabela 3.
35
Tabela 3 - Classificação tipo de pesticida e suas aplicações Tipo de Pesticida Organismo Alvo
Acaricida Ácaros Algicida Algas
Avicida Pássaros Bactericida Bactérias Fungicida Fungos Herbicida Erva Daninha Inseticida Insetos Larvicida Larvas de Insetos
Raticida Roedores
1.3.2 – Carbendazim
O Carbendazim (Metil Benzimidazol-2-il Carbamato- CBZ) inclui-se entre os fungicidas sistêmicos, pela sua capacidade de controlar uma vasta gama de doenças fúngicas em culturas de frutas, vegetais e sementes oleaginosas como por exemplo a soja.
Dentre os grupos de pesticidas, os fungicidas são considerados os agentes mais utilizados para o controle de doenças de plantas, ao lado de alguns dos bactericidas mais usuais [39]. Comercialmente, a década de 60 foi o marco na história do desenvolvimento dos fungicidas sistêmicos do grupo dos carbamatos benzimidazóis. Estes são utilizados no tratamento de sementes, solos e em aplicações foliares, visando à eliminação de patógenos específicos [38, 40]. No Brasil, os benzimidazóis são aplicados em culturas de algodão (sementes), citros (folhas), feijão (sementes e folhas), soja (sementes e folhas), trigo (folhas) e numa grande variedade de frutas (laranja) entre outras e vegetais, cujos limites máximos de resíduos e intervalos de segurança em alimentos são estabelecidos pela ANVISA [37]. Dentre os fungicidas desse grupo, os mais utilizados são: benomil, tiofanato-metílico e carbendazim
36 (CBZ). Destes, o CBZ constitui o ingrediente ativo mais utilizado em alguns países, o qual desempenha importante papel protetor e curativo no controle de uma vasta gama de doenças fúngicas, como as causadas por colletotrichum dematium var truncata e Homopsis spp apresentado anteriormente na Figura 2 em culturas de frutas e vegetais, por ser de eliminação rápida pelo metabolismo, além de ser utilizado na pós colheita a fim de evitar a putrefação de frutos e produtos hortícolas durante o seu armazenamento [11,41]. A Tabela 4 apresenta algumas características do CBZ disponível comercialmente.
Tabela 4 - Características do CBZ disponível comercialmente
Nome Químico (IUPAC) Methyl Benzimidazol-2-yl Carbamate (MBC) Nome Comercial Derosal 500 SC
Princípio Ativo Carbendazim Grupo Químico Benzimidazólico
Outros Nomes Bendazol, Bavistin, Carbendazol, outros. Classe Toxicológica III – Mediamente Tóxico
Classificação Ambiental III – Produto Perigos Massa Molecular 191,2 g/mol L-1
pKa 4,5
Dentre os pesticidas de elevada toxidade, pode-se citar os organofosforados como o Malathion e os carbamatos grupo este que pertence o carbendazim fonte de detecção desta pesquisa [42].
Figura 4 - Fórmula Estrutural do Carbendazim – CBZ
N
N O
O N
37 A absorção pelas plantas dá-se através das raízes, sementes ou folhas, sendo posteriormente transferido para a planta inteira [43]. Devido ao uso intenso, o CBZ tornou-se um poluente muito persistente tanto no solo quanto na água, esgotos, culturas e alimentos, uma vez que sua degradação é lenta [35,43].
O carbendazim é um fungicida da classe dos carbamatos com ampla atividade sistêmica, sendo empregado em diversas culturas com destaque a soja [44], desta forma a determinação de carbendazim presente em amostras de óleo de soja foi o objetivo principal desta pesquisa, onde inicialmente foram realizadas contaminações artificiais do óleo de soja com o pesticida lipossolúvel carbendazim, por ser largamente utilizado neste tipo de cultura e servir como bom modelo de estudos, já que a detecção em meio aquoso com eletrodos de BDD já está bem estabelecida na literatura pelo fato da molécula ser eletroativa [35, 37,42].
A análise de resíduos de pesticidas, nos mais diferentes meios e complexidade de matriz é tradicionalmente realizada utilizando-se técnicas cromatográficas, que são muito importantes na análise química em função de sua facilidade em efetuar separações [45]. Técnicas como cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), cromatografia gasosa com detecção por espectrometria de massa, ultravioleta, eletroforese capilar e colorimetria têm sido usadas para determinação de pesticidas [11]. O método padrão para análise de CBZ é a CLAE com detector de arranjo de diodos [11,45].
Técnicas cromatográficas dependem de um longo tempo nas etapas iniciais para preparação das amostras, utilizam grande quantidade de reagentes e a instrumentação é geralmente dispendiosa, o que eleva o custo das análises. Assim, há necessidade de se desenvolver técnicas mais rápidas, mais baratas e tão sensíveis e seletivas quanto às técnicas cromatográficas. Boudina e colaboradores [38] demonstraram ser possível a fotólise do CBZ em soluções aquosas usando fonte de luz ultravioleta e simulador de luz solar. Kawamoto e colaboradores [46] utilizaram a cromatografia líquida para análise simultânea de pesticidas
38 carbamatos em água de torneira. Além deste estudo, tem se observado também o uso de técnicas como, espectroscopia fluorescente e CLAE com detecção ultravioleta ou fluorimétrica para determinação analítica do fungicida CBZ [39].
Na década de 70, Hance e colaboradores publicaram o primeiro trabalho fazendo uso das técnicas eletroanalíticas para analisar resíduos de pesticidas em águas. Uma grande vantagem destas técnicas consiste na possibilidade da medição ser realizada diretamente na amostra sem necessidade de etapas de pré-purificações ou de separações prévias, além de tornar possível a análise de materiais coloridos ou amostras contendo partículas sólidas dispersas. Estas vantagens aliadas ao curto tempo na realização das análises, ao baixo custo da instrumentação e dos materiais utilizados fizeram com que elas fossem cada vez mais utilizadas.
As metodologias eletroanalíticas são bastante empregadas para a determinação e quantificação de diferentes analitos por apresentarem baixo custo, rapidez e, muitas vezes, não necessitando de tratamento na amostra, sendo que os limites de detecção alcançados podem ser comparados aos das técnicas cromatográficas e espectrofotométricas [47]. Adicionalmente, esses métodos podem levar eventualmente ao desenvolvimento de sensores específicos possibilitando assim o monitoramento diretamente em ambientes de interesse. Envolve medidas de parâmetros elétricos tais como corrente, potencial e carga, tem ampla faixa de aplicação, incluindo monitoramento ambiental, e o controle de qualidade industrial [47,48].
As técnicas eletroquímicas são capazes de fornecer baixos limites de detecção e uma abundância de informações que caracterizam e descrevem eletroquimicamente determinados sistemas. Os métodos eletroanalíticos ainda tem algumas vantagens gerais sobre outros tipos de métodos. Uma dessas vantagens é que as medidas são normalmente especificas para um estado de oxidação particular de um elemento [47,49,50].
39 Trabalhos recentes na literatura relatam a detecção de carbendazim por metodologia eletroanalítica. Ribeiro e colaboradores [51] realizaram determinação de carbendazim utilizando nanotubos de carbono modificados. Os resultados mostram uma alta sensibilidade e confiabilidade do método empregado. França e colaboradores [42] empregaram o BDD como eletrodo de trabalho para realizar a determinação eletroanalítica de carbendazim e fenamifos em águas naturais utilizando voltametria de onda quadrada. Tais procedimentos analíticos permitiram monitorar as concentrações de fenamifos e carbendazim em águas naturais. Os resultados encontrados demonstram que a combinação da técnica de pulso de voltametria de onda quadrada associada ao BDD demonstrou vantagens como detecção em baixas concentrações, rapidez, e permite realizar detecções em águas sem pré-tratamento das amostras.
Outros estudos voltamétricos para a determinação de CBZ são descritos na literatura dentre estes destacam-se: Hernandes e colaboradores [39] determinaram CBZ sobre eletrodo de pasta de carbono – EPC- (grafite/silicone OV-17) em amostras de vinho, maçã e solo por voltametria de pulso diferencial com pré-concentração do analito.
Piao e colaboradores [52] estudaram o comportamento eletroquímico e a determinação de CBZ em eletrodo de carbono vítreo (ECV) usando voltametria de redissolução por pulso diferencial. Manisankar e colaboradores usaram voltametria de redissolução adsortiva com onda quadrada para a determinação eletroquímica de CBZ com ECV em uma célula wall-jet [53].
1.4 – Técnicas Eletroanalíticas
As técnicas voltamétricas encontram larga aplicação em estudos em diversas áreas do conhecimento como medicina, bioquímica, biologia molecular, química ambiental e físico-química, objetivando tanto a obtenção de informações fundamentais sobre propriedades intrínsecas das substâncias orgânicas e inorgânicas, quanto o desenvolvimento de métodos
40 eletroanalíticos [7]. A voltametria compreende um grupo de métodos eletroanalíticos nos quais as informações sobre o analito se baseiam na medição da corrente resultante de uma oxidação ou redução na superfície de um eletrodo indicador ou de trabalho durante a aplicação de uma diferença de potencial na célula eletroquímica [7,9].
A química eletroanalítica compreende um conjunto de métodos analíticos quantitativos baseados nas propriedades elétricas de uma solução do analito quando ele está tomando parte de uma célula eletroquímica. Envolvem medidas de parâmetros elétricos tais como corrente, potencial e carga, tem ampla faixa de aplicação, incluindo monitoramento ambiental, controle de qualidade industrial e análises biomédicas [54]. Estudos de processos de oxidação e redução em diferentes meios, de adsorção em superfícies e de mecanismo de transferência de elétrons, utilizando-se eletrodos modificados, podem dar uma ideia das inúmeras aplicações atuais das técnicas eletroanalíticas [9,54]. A sua utilização depende da molécula ser eletroativa, ou seja, ser passível a sofrer processos de oxidação e redução.
Neste contexto, as técnicas eletroanalíticas possuem como principais características a possibilidade de estabelecimento de relações diretas entre concentração do analito . Essas técnicas tem se revelado como excelentes alternativas para a determinação de pesticidas e de outros compostos, uma vez que são simples, de baixo custo, apresentam tempo relativamente curto nas análises, sem a necessidade de etapas preliminares de extração [51].
As técnicas eletroanalíticas podem fornecer altos limites de detecção e muitas informações relacionadas ao sistema eletroquímico. Os métodos eletroanalíticos ainda tem algumas vantagens gerais sobre outros tipos de métodos, uma dessas vantagens é que as medidas são normalmente específicas para um estado de oxidação particular de um elemento. Uma outra vantagem é que a sua instrumentação é relativamente de baixo custo quando
41 comparada a outros equipamentos muito empregado, por exemplo, para espectroscopia. Essas vantagens levaram a um aumento substancial da aplicação da eletroanálise [9,32].
Dentre as técnicas voltamétricas mais aplicadas em estudos eletroquímicos e desenvolvimento de métodos eletroanalíticos, destacam-se a Voltametria Cíclica (CV) do inglês Cyclic Voltammetry e a voltametria de onda quadrada (SWV) do inglês Square Wave
Voltammetry.
1.4.1 – Voltametria Cíclica (CV)
A Voltametria Cíclica é considerada uma ferramenta versátil para estudar reações eletroquímicas, sendo muito útil na geração de informações qualitativas sobre a termodinâmica dos processos redox envolvidos. Além disso, possibilita avaliar a reversibilidade de processos eletroquímicos, favorecendo a realização de estudos exploratórios quando não se tem informações sobre a eletroatividade do analito em estudo [9,10].
Historicamente, os métodos voltamétricos se desenvolveram a partir da polarografia, técnica desenvolvida em 1922 pelo químico tcheco Jaroslav Heyrosvsky, a quem coube por esse feito o Prêmio Nobel em Química em 1959 [7,9,55].
No início, os métodos voltamétricos não foram empregados como ferramentas analíticas de rotina devido a algumas dificuldades. Mas, na década de 60 e início de 70, foram feitos muitos avanços em todas as áreas da voltametria, resultando em uma melhora significativa de sensibilidade e possibilitando a inclusão das técnicas voltamétricas no repertório de métodos analíticos. A Voltametria Cíclica (CV) geralmente é a primeira técnica utilizada quando se deseja estudar o comportamento eletroquímico de um composto ou a superfície de um eletrodo [56]. Se popularizou rapidamente em diversas áreas, sua facilidade de aplicação e versatilidade são seus principais atributos.
42 Na voltametria cíclica, o potencial aplicado ao eletrodo de trabalho varia continuamente com o tempo na forma de onda triangular (Figura 5), partindo de um valor inicial Ei, até um valor limite pré-determinado, Ev. Ao alcançar Ev, a direção da varredura é
invertida e um caminho inverso é percorrido até chegar a Ef, que pode ser o valor do potencial
inicial Ei, ou outro valor de potencial pré-estabelecido.
Figura 5 - (A) Variação do potencial com o tempo em voltametria cíclica. (B) Voltamograma cíclico para um sistema reversível - adaptado de BRETT[57].
A direção da varredura pode ser positiva ou negativa, e em princípio a velocidade com que o potencial é varrido pode assumir qualquer valor. Também é possível realizar múltiplas ciclagens durante o experimento, muitas vezes, há uma diferença entre o voltamograma obtido na primeira ciclagem e nas ciclagens posteriores, por onde é possível obter informações sobre o mecanismo da reação em estudo. A teoria desta técnica já está bem estabelecida na literatura, na qual é possível encontrar inúmeros trabalhos abordando-as e descrevendo-as [57].
1.4.2 –Voltametria de onda quadrada (SWV)
Em função de todos os problemas de saúde e/ou ambientais gerados pelo uso indiscriminado de agrotóxicos, o desenvolvimento de metodologias rápidas, de menor custo e
43 eficientes para a quantificação de seus resíduos em diferentes tipos de amostras são alvo de inúmeros projetos de pesquisa. Entre as técnicas eletroanalíticas atualmente utilizadas destaca-se a Voltametria de Onda Quadrada (SWV), (do inglês ―Square Wave Voltammetry‖), que é uma técnica voltamétrica de pulso onde a variação de potencial é realizada na forma de escada de potencial com altura constante. O avanço da eletrônica e computação, possibilitou o controle digital da perturbação imposta ao eletrodo de trabalho, bem como a aquisição e tratamento de dados, possibilitando o maior desenvolvimento das técnicas voltamétricas, em especial das técnicas de pulso que, na década de 50, começaram a substituir técnicas polarográficas clássicas até então utilizadas [58,59].
Como uma opção quanto as tradicionais, técnicas cromatográficas, as técnicas eletroanalíticas vem sendo bastante utilizada em pesquisas de novas metodologias alternativas. Estas técnicas compreendem um grupo de métodos analíticos quantitativos, onde informações sobre o analito podem ser obtidas a partir das propriedades elétricas da solução. Elas podem ser resumidas como sendo a resposta obtida em termos de variação de corrente elétrica, em função de uma dada variação de potenciais aplicados ao eletrodo de trabalho.
Nos processos eletroquímicos, a intensidade de corrente total deve-se não só a fenômenos faradaicos, mas também a capacitivos. Estes últimos são originados pela transferência de carga associada à formação da dupla camada elétrica enquanto que a outra é a componente residual associada com reações de impurezas da solução (traços de espécies eletroativas e ainda oxigênio dissolvido), ou decomposição do eletrólito suporte (ou solvente) ou reações do próprio eletrodo.
Na voltametria de onda quadrada correntes elétricas são medidas ao final dos pulsos direto e reverso e o sinal é obtido como uma intensidade de corrente resultante de forma diferencial (ΔI = Idireta - Ireversa), apresentando alta rejeição as correntes capacitivas, originando um pico simétrico com posição, largura e altura característicos do sistema avaliado.
