Explorando a possibilidade de uso de melamina e outras biomoléculas como agentes precursores na formação de filmes modificadores para eletrodos compósitos

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

INSTITUTO DE QUÍMICA

BACHARELADO EM QUÍMICA INDUSTRIAL

JONATHAN RIBEIRO CAMPOS

EXPLORANDO A POSSIBILIDADE DE USO DE MELAMINA E OUTRAS BIOMOLÉCULAS COMO AGENTES PRECURSORES NA FORMAÇÃO DE

FILMES MODIFICADORES PARA ELETRODOS COMPÓSITOS

NITERÓI, RJ 2014

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2 JONATHAN RIBEIRO CAMPOS

EXPLORANDO A POSSIBILIDADE DE USO DE MELAMINA E OUTRAS BIOMOLÉCULAS COMO AGENTES PRECURSORES NA FORMAÇÃO DE

FILMES MODIFICADORES PARA ELETRODOS COMPÓSITOS

Monografia apresentada ao curso de formação em Química Industrial da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para obtenção do Grau de Química Industrial.

Orientador:

Prof. FELIPE SILVA SEMAAN

NITERÓI, RJ 2014

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3 C198 Campos, Jonathan Ribeiro

Explorando a possibilidade de uso de melanina e outras bio- moléculas como agentes precursores na formação de filmes modificadores para eletrodos compósitos / Jonathan Ribeiro Cam- pos. - Niterói: [s.n.], 2014.

57f.

Trabalho de Conclusão de Curso – (Bacharelado em Química Industrial) – Universidade Federal Fluminense, 2014.

1. Eletrodo. 2. Composto orgânico. 3. Eletroquímica. 4. Quitosana. 5. Melanina. 6. Nanopartícula. I. Título.

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5 AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a Deus, por ter me dado a vida. Por renovar minhas forças a cada dia, me fazendo não desistir dos meus planos e por me guiar pelo Seu caminho.

Agradeço também aos meus pais, Maria Lucia da Conceição Santos e Luiz Carlos Costa Campos, pelo imenso amor, que vai além das barreiras da vida.

A Reinaldo Rodrigues Pereira Junior, por ser o melhor amigo que alguém pode ter. Por ter estado me apoiando nos momentos mais difíceis e estar presente nos melhores momentos também.

Ao meu orientador Professor Felipe Semaan, pela paciência e pelos ensinamentos muito importantes para a realização desta monografia, da graduação e crescimento como pessoa e profissional.

Aos colegas de laboratórios Maira Poerner e André, por toda ajuda na realização deste projeto.

Aos colegas de graduação, Fernanda Lima, Gabriela Mello, Ighor esperança, Isabela Aguiar, Larissa Ramos, Ligia Beltrão, Luiz Fernando e Pamela Moulin pela amizade e enorme ajuda nesses quatro anos de convivência.

Aos professores Jackson e Ana Carla, pelos ensinamentos e conselhos importantes que muito ajudaram na minha formação.

Aos amigos do tempo de escola, Daiane Delmino Leite e Gustavo Rezende de Barros pelos muitos anos de amizade.

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6 RESUMO

Do ponto de vista prático, torna-se interessante o uso de eletrodos cujas superfícies possam ser facilmente renovadas e/ou modificadas, tornando assim o processo mais rápido, e o sistema, mais sensível, seletivo, robusto e estável. Evidentemente, nenhum material de eletrodo se apresenta perfeito, atendendo a todas as características ideais, o que fomenta o desenvolvimento de novos materiais, dependendo da aplicação que se tem por objetivo. Nosso grupo de pesquisa visa à obtenção de sensores compósitos de baixo custo que possam ter suas superfícies modificadas visando um aumento de sensibilidade e de seletividade do sensor. Esta modificação de superfície dos eletrodos compósitos de grafite-epóxi foi feita a base de quitosana, melamina e nanopartículas de ouro funcionalizadas, empregando diferentes intercruzantes como glioxal, glutaraldeído e epicloridrina.

Palavras Chave: eletrodos compósitos, quitosana, melamina, cross-link,

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7 ABSTRACT

From a practical point of view, it becomes interesting to develop electrodes whose surfaces can be easily renewed and/or modified, thus making the process faster, and the system more sensitive, selective, robust and stable. For sure, no electrode material appears perfect, attending all the ideal characteristics, which encourages the development of new materials, depending on the application that aims. Our research group aims to obtain low-cost composite sensors that can have your surfaces modified aiming to increase sensitivity and selectivity. This surface modification of graphite-epoxy composite electrodes was reach by using chitosan and melamine, and functionalized gold nanoparticles in different cross-link as glyoxal, glutaraldehyde and epichlorohydrin.

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8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 14 1.1 ELETRODOS COMPÓSITOS ... 14 1.2 COMPÓSITOS GRAFITE-EPÓXI ... 15 1.2.1 GRAFITE ... 16 1.2.2 RESINA EPÓXI ... 16

1.3 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA ... 17

1.3.1- Voltametria ... 17

1.3.2- Determinação da área superficial ... 18

1.4 MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL DE ELETRODOS ... 19

1.5 BIOFILMES E FILMES DE QUITOSANA E MELAMINA ... 20

1.6 NANOPARTÍCULAS ... 24

3. MATERIAIS E METODOLOGIA ... 26

3.1LISTA DE REAGENTES ... 26

3.2 PREPARO DOS ELETRODOS COMPÓSITOS ... 27

3.3 PREPARO DOS FILMES NAS DIFERENTES COMPOSIÇÕES ... 27

3.4 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA ... 30

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 32

4.1 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA DO COMPÓSITO SEM MODIFICAÇÃO. ... 32

4.2 COMPARAÇÕES ENTRE O USO DOS DIFERENTES INTERCRUZANTES. ... 35

4.3 ÁREAS ELETROATIVAS DAS MODIFICAÇÕES COM MELAMINA COM E SEM NANOPARTÍCULAS. ... 37

4.4 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 3:1 (m/m) COM E SEM NANOPARTÍCULAS. ... 41

4.5 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 1:1 COM E SEM NANOPARTÍCULAS. ... 44

4.6 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 1:3 COM E SEM NANOPARTÍCULAS. ... 48

4.7 COMPARAÇÕES DAS ÁREAS ELETROATIVAS PARA OS DIFERENTES FILMES FORMADOS. ... 51

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9 LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Rede de grafite (adaptado de Brett & Brett). Figura 2: Polimerização da resina epóxi.

Figura 3: Principais parâmetros da voltametria cíclica. Figura 4: Estrutura molecular da quitosana.

Figura 5: Equilíbrio químico da quitosana. Figura 6: Estrutura molecular da melamina

Figura 7: Agentes de intercruzamento a serem estudados

Figura 8: Reticulação da quitosana com GLU e GLI. Adaptado de Abreu et al. Figura 9: Reticulação da quitosana com EPIC. 31

Figura 10: Ilustração da seringa utilizada para a confecção do eletrodo artesanal.

Figura 11: Esquema de gotejamento na superfície do EC utilizando micropipeta analítica.

Figura 12: Modificação da superfície do EC utilizando melamina como monômero de polimerização.

Figura 13: Eletrodos modificado utilizando MEL/QUIT em diferentes proporções. Figura 14: Imagem do potenciostato Ivium, modelo CompactStat.

Figura 15: Voltamogramas cíclico do eletrodo compósito sem modificação em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 a diferentes velocidades de varredura (de 10 a 100 mVs-1).

Figura 16: Voltamogramas cíclico do eletrodo compósito sem modificação e modificado com melamina e reticulado com glutaraldeído, glioxal e epicloridrina em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

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10 Figura 17: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de melamina reticulada com GLU e (c) filme de melamina reticulado com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1. Figura 18: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de MEL/QUIT (3:1) reticulada com GLU e (c) filme de MEL/QUIT (3:1) reticulada com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Figura 19: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de MEL/QUIT (1:1) reticulada com GLU e (c) filme de MEL/QUIT (1:1) reticulada com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Figura 20: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme e (b) com filme de MEL/QUIT (1:3) reticulada com GLU em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

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11 LISTA DE TABELAS E GRÁFICOS

Tabela 1: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica empregando eletrodo compósito sem modificação.

Tabela 2: Dados das áreas eletroativas dos eletrodos antes da modificação e após, utilizando melamina e EPIC, GLU e GLI como intercruzantes.

Tabela 3: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Tabela 4: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Tabela 5: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (3:1) reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1. Tabela 6: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1. Tabela 7: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica empregando eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com Glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1. Tabela 8: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica empregando eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

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12 Tabela 9: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica empregando eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Quadro 1: Parâmetros obtidos a partir da voltametria cíclica para determinação da área eletroativa do EC.

Gráfico 1: Relação entre as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito sem modificação.

Gráfico 2: Relação entre as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina reticulada com glutaraldeído.

Gráfico 3: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina reticulada com Glu e αCDAu.

Gráfico 4: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (3:1) reticulada com glutaraldeído. Gráfico 5: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glu e αCDAu. Gráfico 6: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:1) reticulada com glutaraldeído. Gráfico 7: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:1) reticulada com Glu e αCDAu. Gráfico 8: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:3) reticulada com glutaraldeíro. Gráfico 9: Comparação entre as áreas eletroativas para os eletrodos modificados e não modificado.

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13 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

EC Eletrodo compósito;

ECGE Eletrodo compósito grafite epóxi; Quit Quitosana;

Mel Melamina;

GLU Glutaraldeído;

GLI Glioxal; EPIC Epicloridrina;

αCDAu Nanopartículas de ouro estabilizadas em α-ciclodxtrina;

EVA Etileno Acetato de Vinila

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14 1. INTRODUÇÃO

1.1 ELETRODOS COMPÓSITOS

Diversos fatores justificam a utilização e as crescentes pesquisas desenvolvidas em relação aos eletrodos a base de carbono, como: boa condutividade elétrica, ampla faixa de potencial de trabalho e ser relativamente inerte quimicamente.1,2 Devido à versatilidade do carbono, são encontrados diversos tipos de eletrodos como o carbono vítreo (GC), fibra de carbono (CF), carbono vítreo reticulado (RVC) ou compósitos.3,4 Existem também os eletrodos de carbono impresso, utilizados comercialmente, um exemplo clássico é a fita para medir glicose no sangue, muito utilizado por diabéticos.9

Compósitos são materiais híbridos formados por uma fase isolante e uma fase condutora, em proporções adequadas. São homogêneos a níveis macroscópicos, sendo, todavia, heterogêneos a níveis microscópicos e atômicos.6 Trata-se do desenvolvimento de um novo material, com características diferentes dos materiais a partir do qual foi feito.5,6,7 A justificativa da utilização de eletrodos compósitos está em seu baixo custo e na versatilidade dos sensores obtidos.

Os primeiros sensores compósitos foram de pasta de carbono, desenvolvidos por Adams na década em 1958. O sensor foi feito a partir de carbono em pó e do solvente orgânico líquido tribromometano. O eletrodo apresentou resultados positivos na detecção de metais como cobre, cádmio e cobalto, tanto nas regiões anódicas como catódicas8.

O material isolante tem como função principal aglomerar o grafite em pó (material condutor), assim o material obtido se torna mais estável mecânica e quimicamente após a homogeneização ou cura.10

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15 Dentre os materiais isolantes precursores de eletrodos de pasta pode-se destacar: óleo de parafina, óleo de silicone e solventes orgânicos; para se obter eletrodos sólidos são utilizados principalmente resinas epóxi e poliuretana.11

A utilização de aglutinantes “moles”, que formam eletrodos de pastas de carbono sólidos, têm algumas vantagens sobre os eletrodos metálicos ou mesmo de carbono vítreo, tais como:10

 Confecção em diferentes formas e tamanhos;

 Possibilidade de modificação química da superfície do eletrodo, visando melhores limites de detecção para analitos específicos;

 A superfície pode ser facilmente renovada, assim um eletrodo pode ser utilizado diversas vezes;

 Ampla faixa de pH e potencial de trabalho;

 Maior resistência mecânica, estabilidade em transporte e armazenamento;

 Custos substancialmente reduzidos.

Como fase condutora utiliza-se principalmente o carbono na forma grafite, por razões diversas a serem posteriormente comentadas.

1.2 COMPÓSITOS GRAFITE-EPÓXI

Neste trabalho foram utilizados sensores a base de grafite e da resina epóxi. A seguir serão apresentadas explicações do motivo desses materiais serem utilizados para a fabricação de EC.

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16 1.2.1 GRAFITE

Grafite é uma das formas mais conhecidas do carbono. Os átomos de carbono na sua estrutura têm hibridização sp2, que apresentam um ângulo de 120º entre os átomos da rede, apresentando um arranjo hexagonal como pode ser visto na Figura 1.¹² Devido a esse arranjo espacial, sua estrutura possui alta densidade eletrônica, que explica a alta condutividade¹³.

Figura 1: Rede de Grafite. (adaptado de Brett & Brett)12

A rede de grafite possui 1,415 Å de comprimento de ligação entre os átomos vizinhos e 3,4 Å de distância entre os planos paralelos.¹³ Tal diferença explica-se pela fraca interação de Van de Waals entres os planos paralelos. Sendo anisotrópico, ou seja, na direção paralela aos planos ele pode ser facilmente desgastado, mas na direção paralela aos planos possui dureza mais elevada.14

1.2.2 RESINA EPÓXI

As resinas epóxi possuem grande aplicabilidade em processos de obtenção de materiais termorresistentes, isolantes e adesivos. A Figura 2 ilustra a polimerização desta resina.15

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17

Figura 2: Polimerização da resina epóxi. 38

1.3 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA

1.3.1- Voltametria

Métodos voltamétricos são aqueles em que a respostas de corrente são função do analito e da perturbação aplicada (sob forma de variações de potencial).17 Estas técnicas são baseadas em reações de oxidação e redução de espécies em interfaces solução/eletrodo, que ocorrem devido à aplicação de um potencial sob um dado eletrodo de trabalho, variando com o tempo.18 As técnicas voltamétricas têm como principais vantagens o tempo de análise relativamente pequeno, não esgotamento do analito,19 baixo custo quando comparadas a outras técnicas analíticas como HPLC, entre outras.

Na voltametria cíclica é feita a varredura de potencial em um sentido e então, no sentido contrário. Desta forma é possível acompanhar reações de oxi-redução e detectar possíveis intermediários.17 Os principais parâmetros da voltametria cíclica estão ilustrados e descritos abaixo:

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18 Figura 3: Principais parâmetros da voltametria cíclica. 12

(a) A: Potencial inicial de varredura;

(b) C: Potencial final de varredura em um sentido e inicial no sentido contrário; (c) Epa: o potencial máximo, em relação a corrente de pico anódico;

(d) Epc: o potencial mínimo, em relação a corrente de pico catódico; (e) Ipa: corrente do pico anódico;

(f) Ipc: corrente do pico catódico; (g) v: velocidade de varredura.

1.3.2- Determinação da área superficial

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19 Sendo assim, um processo reversível tem sua relação da corrente de pico e área eletroativa segunda a equação de Randles e Sevcik:12, 19

Ip,c = -2,69x10-5 n3/2 A D1/2 [O]∞ v1/2

Ip,c = Corrente de pico catódico [A];

n = número de elétrons envolvidos na reação; A = área eletroativa do eletrodo [cm²]; D0 = Coeficiente de difusão [cm² s-1];

[O]∞ = Concentração da espécie oxidada [mol cm-3]; v = velocidade de varredura [V s-1]20

Atualmente para se determinar a área eletroativa de eletrodos se utiliza muito o hexacianoferrato de potássio (III). As principais vantagens em se empregar este reagente estão na facilidade de preparação e na característica de o potencial não variar ao longo do tempo. Além disso, o coeficiente de difusão para o K3[Fe(CN)6] é bem definido e tabelado em concentrações conhecidas21. O valor de coeficiente de difusão utilizado foi 7,7 106 cm2 s-1 para [Fe(CN)6]-3emKCl 0,5 mol L-1.38

1.4 MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL DE ELETRODOS

O termo modificação da superfície de eletrodos foi introduzido inicialmente por Murray, em 1975, em seus trabalhos explorando modificações de eletrodos de SnO2 (Óxido de Estanho) utilizando diversas moléculas orgânicas como o silano, aminas, piridil.22

As principais justificativas para tais modificações seriam: o aumento de estabilidade, sensibilidade e seletividade do eletrodo em relação a um analito específico.23

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20 Existem quatro principais mecanismos/modificadores superficiais de um eletrodo. Seriam estas a adsorção, ligação covalente, filmes poliméricos e materiais compósitos. A adsorção é um processo no qual o agente modificador é solubilizado em um solvente e então, o eletrodo é imerso nesta solução. Essa técnica se destaca pela sua rapidez e simplicidade. O processo de adsorção é muito utilizado em eletrodos de grafite e de carbono vítreo. Na ligação covalente o agente modificador é ligado covalentemente ao substrato do eletrodo. Este método possui maior estabilidade se comparado ao outros, porém necessita de maior tempo para sua realização. Sua maior aplicabilidade é na imobilização de enzimas. Filmes poliméricos consistem na deposição de várias camadas de filmes poliméricos. Tal técnica se destaca das demais por permitir a formação de várias monocamadas sobre a superfície do eletrodo. Tem aplicação no desenvolvimento de sensores para proteger a superfície dos eletrodos de impurezas, bloquear interferentes, imobilizar biocomponentes.39, 40

1.5 BIOFILMES E FILMES DE QUITOSANA E MELAMINA

Durante os últimos 20 anos, é notável o crescimento no interesse no uso de biofilmes, em especial os de quitosana e derivados, fato relacionado à quantidade de trabalhos publicados utilizando a quitosana e seu potencial em diversas bio-aplicações. Este polímero é o segundo mais abundante polissacarídeo natural no planeta, perdendo apenas para a celulose, de longe o mais abundante. Este material pode ser encontrado em exoesqueletos de insetos e artrópodes, tais como cascas de crustáceos, mariscos como camarões, caranguejos, e bicos de cefalópodes26, 27.

A quitosana é um biopolímero que possui diversas características que a tornam tão atrativa quando se trata de modificação da superfície de eletrodos compósitos: é

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21 biocompatível, não-tóxica e biodegradável,28 possui alta resistência mecânica e uma excelente habilidade de formar filmes.29

Figura 4: Estrutura molecular da quitosana. 41

O pKa da quitosana é aproximadamente 6,5, o que indica que em meio levemente ácidos, o grupamento amino pode ser protonodo, tornando a quitosana solúvel. 41

Figura 5: Equilíbrio químico da quitosana.42

A estrutura da quitosana pode ser modificada com o intuito de mudar suas funcionalidades ou simplesmente melhorar alguma função característica do material30. Nesse contexto se insere a utilização de melamina que, por possuir três grupamentos

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22 amino primários em sua estrutura, pode aumentar o número de sítios ativos da estrutura da quitosana. Além disso, a melamina se liga fortemente a aldeídos29.

Figura 6: Estrutura molecular da melamina

Os agentes intercruzantes são substâncias precursoras no processo de polimerização. Este processo pode ocorrer por meio de ligações covalentes, processos radicalares ou interações iônicas. As ligações covalentes são as que formam um material mais resistente e estável. Já na forma radicalar é necessária pouca energia para ocorrer a polimerização. Os processos por interação iônica possuem o problema de serem instáveis a variações de pH31, 32.

Três agentes intercruzantes foram utilizados neste trabalho:

epicloridrina

glutaraldeído

glioxal

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23 O GLI e o GLU são aldeídos bifuncionais, a reticulação se dá via adição nucleofílica do grupamento amino da quitosana à carbonila dos agentes, levando à reações de eliminação, formando bases de Schiff. A Figura 8 mostra um mecanismo proposto por Abreu et al. 31

Figura 8: Reticulação da quitosana com GLU e GLI. Adaptado de Abreu et al.31

Já a EPIC é um epóxido, a adição não ocorre pelo grupamento amino e sim pela hidroxila. Ocorre a eliminação do haleto e a abertura do epóxido, conforme a Figura 9.31

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24 1.6 NANOPARTÍCULAS

Atualmente, são consideradas nanopartículas (NP) as partículas que possuem tamanho inferior a 100 nm em pelo menos uma de suas dimensões. Essas partículas têm despertado muito interesse visto que materiais que se apresentam nesse tamanho exibem propriedades físicas e químicas distintas do que em escala macroscópica33,34.

A utilização de nanopartículas em eletroanálise traz diversas vantagens, como: melhoria da transferência eletrônica, aumento da área superficial sobremaneira, aumento da razão sinal-ruído. Além de aumentar a sensibilidade e seletividade do sensor modificado.35

As nanopartículas podem ser instáveis em solução, podendo ocorrer a floculação/aglomeração (aumento do tamanho) e, consequentemente, mudança em suas propriedades. Para evitar este problema são utilizados estabilizantes para garantir maior tempo útil das nanopartículas dispersas.36 Neste projeto foram utilizadas nanopartículas estabilizadas com α-ciclodextrinas tioladas.

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25 2. OBJETIVOS

Com vista na facilidade de preparação e manipulação de eletrodos compósitos, assim como seu baixo custo e a possibilidade de reutilização, pretende-se realizar experimentos para aumentar as possíveis futuras aplicações analíticas para fármacos e substâncias orgânicas bioativas. Como formas de caracterização serão utilizadas técnicas voltamétricas.

Será empregada como monômero a melamina, a qual, por reticulação frente a diferentes agentes (glioxal, glutaraldeido, epicloridrina), espera-se ser adsorvida sobre a superfície do sensor sólido já previamente desenvolvido pelo Grupo e disponível em grande quantidade e estabilidade.

Outro objetivo deste trabalho é utilizar a melamina e quitosana em diferentes proporções e avaliar o efeito de tais modificações sobre o eletrodo, utilizando nanopartículas de ouro, visando melhorias analíticas.

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26 3. MATERIAIS E METODOLOGIA

3.1LISTA DE REAGENTES

(a) Epóxi (vendido comercialmente como pré-polímero e catalisador - Avipol®) (b) Grafite em pó (tamanho da partícula entre 2-20 μm - Sigma Aldrich®). (e) Quitosana massa molecular média (Sigma-Aldrich®)

(f) Melamina (Sigma-Aldrich®)

(g) Ácido acético glacial (99,8% v/v - Sigma Aldrich®) (h) Glutaraldeído (25% v/v - Merck®);

(i) Glioxal (40% v/v - Sigma Aldrich®); (j) Epicloridrina (99% v/v - Sigma Aldrich®); (k) Cloreto de potássio (Vetec® Química); (l) Ferricianeto de potássio (Vetec® Química); (m) Ácido acético (Vetec® Química);

(n) Acetato de sódio (Vetec® Química);

(o) Fosfato de sódiomonobásico (Vetec® Química); (p) Fosfato de sódio dibásico (Vetec® Química); (q) Hidróxido de sódio (Vetec® Química);

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27 3.2 PREPARO DOS ELETRODOS COMPÓSITOS

Para a confecção dos eletrodos artesanais foram utilizadas seringas de insulina. O primeiro passo foi retirar o êmbolo da seringa e com auxílio de um estilete retirar uma das hastes do êmbolo (Figura 10). Após, colocou-se uma extremidade do fio de cobre entre o êmbolo e a borracha que fica presa a ele.

O material compósito foi preparado misturando grafite em pó e resina epóxi na proporção 65% (m/m) grafite/epóxi. Esse material foi devidamente homogeneizado e utilizado para preencher o corpo da seringa. O êmbolo foi colocado na seringa e posto em um torno mecânico sob pequena pressão, onde ficou em cura por um dia. Depois o pré-eletrodo foi lixado na politriz com lixa de carbeto de silício 1200, e polido utilizando filme de EVA.

Figura 10: Ilustração da seringa utilizada para a confecção do eletrodo artesanal15.

3.3 PREPARO DOS FILMES NAS DIFERENTES COMPOSIÇÕES

Os filmes inicialmente foram preparados de acordo com descrições prévias encontradas em (Brett, 2010)20. A solução de quitosana 1% (m/m) foi preparada contendo 50 mg de quitosana em 5 mL de solução de ácido acético 1% (v/v), em

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28 agitação por 3 horas para completa dissolução. A solução de melamina 1% (v/v) foi preparada de forma análoga, porém foi necessário agitar por 5 minutos apenas.

Foram feitas soluções de MEL; MEL/QUIT 3:1 (m/m); MEL/QUIT 1:1 (m/m) e MEL/QUIT (m/m), com e sem nanopartículas de ouro funcionalizadas com alfa-ciclodextrina. Para as soluções utilizando nanopartículas foram adicionados 2 mg de αCD-Au para cada 1600 µL de solução, sendo os filmes foram preparados da seguinte forma:

 O eletrodo foi mantido na forma vertical durante o processo de modificação;

 Foi adicionado 10 µL da solução de melamina ou melamina/quitosana em diferentes proporções;

Figura 11: Esquema de gotejamento na superfície do EC utilizando micropipeta analítica.

 O tempo médio de secagem da gota foi de 1 hora. Após esse tempo foi gotejado mais uma gota de solução mel ou MEL/QUIT em diferentes proporções;

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29 Figura 12: modificação da superfície do EC utilizando melamina como monômero de polimerização

 Após a secagem foi adicionado uma gota de solução NaOH 0,02 mol L-1. Após a secagem foi adicionada outra gota; Para ajustar o pH e melhorar a reticulação da quitosana.

Eletrodos que utilizaram EPIC como agente intercruzante:

 Adicionar 1 gota de solução 2,5% (v/v) de EPIC, esperar 1 hora e adicionar outra gota;

Eletrodos que foram usados GLU e GLI como agente intercruzante:

 Rinsar abundantemente com água destilada;

 Adicionar uma gota de tampão fosfato pH = 7,0 e esperar 1 hora;

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30 Figura 13: Eletrodos modificado utilizando MEL/QUIT em diferentes proporções.

3.4 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA

As áreas eletroativas foram medidas em sistemas de três eletrodos (Ag|AgCl como referência, Pt como contra eletrodo e os eletrodos de trabalho em teste), sendo utilizado um potenciostato da Ivium, modelo CompactStat (Ivium Technologies, Holanda). Foi empregada a técnica de voltametria cíclica utilizando hexacianoferrato de potássio (III) 5 mmol L-1 em Cloreto de potássio 0,5 mol L-1, e para cálculos foi empregada a relação de Randles-Sevcik, previamente apresentada e definida.

(31)

31 Foram realizadas varreduras na faixa de potencial de 0,8V (vértex 1) até -0,2 V (vértex 2) com o valor de E inicial de -0,2 V. As velocidades de varredura utilizadas foram: 10, 20, 30, 50, 75, 80 e 100 mVs-1, com 3 ciclos de leitura para cada velocidade.

(32)

32

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 DETERMINAÇÃO DA ÁREA ELETROATIVA DO COMPÓSITO SEM MODIFICAÇÃO.

Foi realizado um estudo prévio do eletrodo compósito grafite-epóxi 65% (m/m) sem qualquer modificação superficial, o qual serviu de base para posteriores avaliações quanto a modificação superficial. A Figura 15 mostra voltamogramas cíclicos obtidos utilizando K3[Fe(CN)6], nas condições previamente descritas, em velocidades variando de 10 a 100 mV s-1. -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -1,0x10-4 -8,0x10-5 -6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 8,0x10-5 10mVs-1 E (V) 20mVs-1 30mVs-1 50mVs-1 75mVs-1 80mVs-1 Ip (A) 100mVs-1

Figura 15: Voltamogramas cíclico do eletrodo compósito sem modificação em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 velocidades de 10 a 100 mVs-1

A partir do tratamento matemático dos voltamogramas foi possível obter informações a respeito das correntes e potenciais de pico dos processos anódicos e catódicos, como está descrito na Tabela 1.

(33)

33 Tabela 1: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito sem modificação.

Potencial de pico Correntes de pico

velocidade (V/s) Anódico (V) Catódi co (V)

Ep (V) Anódica (A) Catódica

(A) Ipa/Ipc 0,01 0,395 0,240 0,155 3,00E-05 -3,03E-05 0,99 0,02 0,410 0,220 0,190 4,19E-05 -4,26E-05 0,99 0,03 0,430 0,205 0,225 4,87E-05 -4,95E-05 0,98 0,05 0,445 0,190 0,255 5,88E-05 -5,87E-05 1,00 0,075 0,460 0,175 0,285 6,86E-05 -6,80E-05 1,01 0,08 0,455 0,180 0,275 7,07E-05 -7,17E-05 0,99 0,1 0,460 0,175 0,285 7,62E-05 -7,77E-05 0,98 0,239±0,051 0,99±0,01

O valor de ΔE encontrado foi 0,24 V, embora o valor estimado para o processo empregado como sonda seja 0,057 V, esta grande diferença se justifica pelo material utilizado. O valor de referência considera um condutor metálico perfeito, e o sensor utilizado é a base de carbono, que não é um metal e resina epóxi, que é um material isolante. Apesar deste afastamento dos potenciais de pico entre as regiões anódicas e catódicas o processo é considerado reversível, pois a relação entre as correntes de pico é muito próxima a 1,00.

Para confirmar esta simetria foi feito o Gráfico 1, que mostra a relação entre as correntes anódica e catódica e a v1/2

(34)

34 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -75 -50 -25 0 25 50 75 I = -211,4788v1/2_{- 11,2744} r² = 0,99238 I = 209,9081v1/2 + 11,0992 r² = 0,99341 I (  A) v1/2_{(V s}-1₎ Ia Ic

Gráfico 1: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito sem modificação

Pela avaliação do Gráfico pôde-se perceber a simetria entre as correntes anódica e catódica, visto a proximidade de seus coeficientes angulares e lineares. Além disso, os coeficientes de linearidade (r²) próximos a 1,00 mostram que a corrente de resposta do eletrodo está diretamente relacionada com a raiz quadrada da velocidade de varredura, como sugere a equação de Randles e Sevcik, confirmando o terceiro parâmetro de linearidade considerado. Esta linearidade indica também uma transferência de massa controlada por difusão.

Utilizando a equação de Randles e Sevcik foi possível estimar a área eletroativa dos eletrodos:

(35)

35 A área eletroativa calculada para este eletrodo foi:

A = (0,0727 ± 0,00662) cm²

4.2 COMPARAÇÕES ENTRE O USO DOS DIFERENTES INTERCRUZANTES.

Foram feitas modificações do ECGE utilizando melamina como monômero da polimerização e diferentes agentes intercruzantes, para saber qual ou quais modificariam efetivamente a superfície do sensor. Foram feitas as modificações de acordo com o procedimento experimental descrito anteriormente e a partir disso foram analisados por voltametria cíclica. Os eletrodos foram analisados antes e depois da modificação, para comparar a mudança na área eletroativa. Os voltamogramas obtidos estão ilustrados na Figura 16.

-6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ip (A) E(V) Sem modificaçao Glutaraldeido Glioxal Epicloridrina

Figura 16: Voltamogramas cíclico do eletrodo compósito sem modificação e modificado com melamina e reticulado com glutaraldeído, glioxal e epicloridrina em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

(36)

36 A partir da análise dos dados calculou-se a área, descrita na Tabela 2:

Tabela 2: Dados das áreas eletroativas dos eletrodos antes da modificação e após, utilizando melamina e EPIC, GLU e GLI como intercruzantes. (n = 7).

Área antes da modificação (cm²) Área após a modificação (cm²) Epicloridrina 0,0885 ± 0,00370 0,0791 ± 0,00729 Glutaraldeído 0,0867 ± 0,00320 0,0267 ± 0,00757

Glioxal 0,0724 ± 0,0131 0,0682 ± 0,00589

O teste t de Student pode ser utilizado para comparar duas médias de grupos dependentes ou independentes. Este teste pode ser aplicados quando os grupos são diferentes (ex: homens e mulheres) ou quando os grupos são pareados, quando as duas análises são do mesmo grupo, que é utilizado neste trabalho para verificar se houve efetiva modificação na área superficial dos eletrodos. Além disso, as variâncias entre os grupos podem ser iguais ou diferentes.37 Com esses valores da Tabela 2, foi feito o teste t para verificar se há diferença entre esses valores médios, e considerando os desvios inerentes a todo o processo:

2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ( 1) ( 1) 2 par par par n s n s s n n e x x n n t s n n         

(37)

37 X1 = Média dos valores obtidos para o eletrodo sem modificação;

X2 = Média dos valores obtidos para o eletrodo modificado; Spar = Variância combinada das duas medidas;

N1 =Número de medidas da amostra 1; N2 = Número de medidas da amostra 2.

O valor de t utilizado foi 2,23 (para 12 graus de liberdade e 95% de confiança), obtendo-se os seguintes valores para os cálculos: Epicloridrina tpar = 3,04, glutaraldeído tpar = 19,3 e glioxal tpar = 0,638.

Com estes resultados, conclui-se que o glutaraldeído foi o que modificou mais significativamente a superfície do eletrodo através da formação de filme, o que pode ser visto, inclusive, pelos voltamogramas da Figura 13. A partir disso, os estudos feitos utilizando soluções mistas de MEL e QUIT foram com o GLU como cross-link.

4.3 ÁREAS ELETROATIVAS DAS MODIFICAÇÕES COM MELAMINA COM E SEM NANOPARTÍCULAS.

Nesta etapa do trabalho foi estudado o efeito da adição de nanopartículas de ouro na formação do filme de melamina com GLU como intercruzante. Os voltamogramas da Figura 17 exibem essas modificações.

(38)

38 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 Ip (A) E (V) Sem modificaçao Mel sem NP Mel com NP

Figura 17: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de melamina reticulada com GLU e (c) filme de melamina reticulado com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

A partir dos dados obtidos desses voltamogramas foi feita a Tabela 3, que possui os valores de correntes e potenciais de pico anódico e catódico.

Tabela 3: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

velocidade (V/s) Anódico (V) Catódico (V) Ep(V) Anódica (A) Catódica (A) Ipa/Ipc 0,01 0,400 0,185 0,215 1,14E-05 -1,46E-05 0,78 0,02 0,400 0,190 0,210 1,33E-05 -1,76E-05 0,76 0,03 0,425 0,180 0,245 1,35E-05 -1,88E-05 0,72 0,05 0,380 0,170 0,210 1,43E-05 -2,06E-05 0,69 0,075 0,375 0,185 0,190 1,47E-05 -2,21E-05 0,67 0,08 0,375 0,175 0,200 1,48E-05 -2,19E-05 0,67 0,1 0,375 0,175 0,200 1,34E-05 -2,15E-05 0,62 0,210±0,018 0,70±0,05

(39)

39 Pelo valor obtido para a variação de potencial (0,210V) pode-se perceber o afastamento do valor de diferença de potencial esperados para um processo reversível. Mas este valor está de acordo com os obtidos para o EC sem modificação. Nesse filme pode-se perceber que o valor da razão entre as correntes de pico diminuiu bastante, se afastando do esperado para um processo reversível.

Para analisar o último parâmetro de reversibilidade foi construído o Gráfico 2.

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 I = 10,6017v1/2 + 11,3399 r² = 0,44441 I = -32,4957v1/2_{- 12,5705} r² = 0,87289 I (  A) v1/2 (V s-1) Ia Ic

Gráfico 2: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina reticulada com glutaraldeído

Com base no gráfico obtido percebe-se a falta de simetria entre os processos anódicos e catódicos assim como a perda de linearidade entre a corrente de pico e a raiz quadrada da velocidade, principalmente para o processo anódico (r² = 0,44441). Isto sugere desvantagens para aplicações em regiões/sentidos anódicos de varredura.

A área eletroativa calculada para esse eletrodo foi (0,0267±0,00757) cm². O teste t (t = 19,3) mostra que houve modificação da superfície do eletrodo.

(40)

40 Também foi feita a mesma análise para o eletrodo modificado fazendo uso de NP. Esses dados estão resumidos na Tabela 4.

Tabela 4: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

velocidade (V/s) Anódico (V) Catódico (V) Ep(V) Anódica (A) Catódica (A) Ipa/Ipc 0,01 0,380 0,240 0,140 2,09E-05 -2,25E-05 0,93 0,02 0,390 0,230 0,160 2,71E-05 -3,00E-05 0,90 0,03 0,400 0,220 0,180 3,12E-05 -3,52E-05 0,89 0,05 0,410 0,205 0,205 3,57E-05 -4,13E-05 0,86 0,075 0,420 0,195 0,225 4,04E-05 -4,61E-05 0,88 0,08 0,420 0,195 0,225 3,97E-05 -4,65E-05 0,85 0,1 0,425 0,185 0,240 4,15E-05 -4,94E-05 0,84 0,196±0,0374 0,88±0,031 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -40 -20 0 20 40 I = 94,6589v1/2 + 13,3507 r² = 0,96009 I = -121,73736v1/2 - 12,4335 r² = 0,97409 I (  A) v1/2 (V s-1) Ia Ic

Gráfico 3: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina reticulada com Glu e αCDAu

Em termos de ΔE não foram observadas. A relação entre as correntes melhorou em relação ao filme sem NP no que diz respeito a reversibilidade. O Gráfico 3 foi

(41)

41 construído para complementar a análise.Apesar de as correntes não estarem muito simétricas a linearidade da reta obtida aumentou consideravelmente.

A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0503 ± 0,00705) cm², o teste t confirma a modificação da superfície (tpar = 10,9).

4.4 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 3:1 (m/m) COM E SEM NANOPARTÍCULAS.

Foram feitas modificações utilizando filmes com e sem nanopartículas de ouro para as soluções de MEL/QUIT. Os voltamogramas obtidos estão na Figura 18.

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 Sem modificaçao Mel/Quit 3:1 sem NP Ip (A) E (V) Mel/Quit 3:1 com NP

Figura 18: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de MEL/QUIT (3:1) reticulada com GLU e (c) filme de MEL/QUIT (3:1) reticulada com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

(42)

42 Pela avaliação dos voltamogramas foram obtidos os dados empregados para a da Tabela 5, para o eletrodo modificado sem NP.

Tabela 5: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

velocidade (V/s) Anódico (V) Catódico (V) Ep (V) Anódica (A) Catódica (A) Ipa/Ipc 0,01 0,350 0,245 0,105 2,65E-05 -2,97E-05 0,89 0,02 0,365 0,235 0,130 3,52E-05 -4,05E-05 0,87 0,03 0,365 0,225 0,140 4,04E-05 -4,74E-05 0,85 0,05 0,375 0,215 0,160 4,75E-05 -5,74E-05 0,83 0,075 0,385 0,205 0,180 5,36E-05 -6,64E-05 0,81 0,08 0,390 0,205 0,185 5,39E-05 -6,76E-05 0,80 0,1 0,395 0,200 0,195 5,71E-05 -7,26E-05 0,79 0,156±0,0329 0,83±0,039

O ΔE e a razão entre as correntes ficaram na mesma faixa de valores da modificação anterior. A partir do Gráfico 4 observou-se a relação entre corrente e a raiz quadrada da velocidade de varredura.

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -75 -50 -25 0 25 50 I = -196,6830v1/2 - 12,0542 r² = 0,99130 I = 139,2340v1/2 + 14,8278 r² = 0,97865 I (  A) v1/2 (V s-1) Ia Ic

Gráfico 4: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (3:1) reticulada com glutaraldeído.

(43)

43 Pela análise do gráfico percebe-se que apesar dos outros de reversibilidade não estarem adequados para um processo reversível, I e v1/2 possuem uma relação linear razoável.

A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0682 ± 0,00589) cm². O teste t indica que não foi observada diferença entre os valores médios das áreas obtidas (tpar = 0,774), mostrando que não houve modificação da superfície.

Com isso, foi feito o estudo em relação ao filme de melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glu e αCDAu, os dados estão descritos na Tabela 6.

Tabela 6: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1

Observa-se um decréscimo da média da diferença dos potenciais de pico anódico e catódico, indicando uma aproximação entre os picos. A razão entre as correntes de pico continua na mesma faixa das outras modificações.

A seguir está o Gráfico 5, que indica com as informações sobre a corrente de pico para o eletrodo modificado utilizando NP.

(44)

44 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -60 -40 -20 0 20 40 I = -162,089v1/2 - 12,8509 r² = 0,98273 I = 104,6993v1/2 + 14,5974 r² = 0,98203 I (  A) v1/2 (V s-1 ) Ia Ic

Gráfico 5: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (3:1) reticulada com Glu e αCDAu

A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0614±0,00727) cm2. O teste t indica que há diferença entre as médias das áreas obtidas antes e após a modificação, mostrando que houve modificação da superfície (tpar = 9,09).

4.5 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 1:1 COM E SEM NANOPARTÍCULAS.

Nesta etapa foi modificada a proporção entre a MEL e a QUIT utilizada em relação à etapa anterior. Os voltamogramas obtidos estão descritos na Figura 19.

(45)

45 -6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Ip (A) E(V) Sem modificaçao Mel/Quit 1:1 sem NP Mel/Quit 1:1 com NP

Figura 19: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme; (b) com filme de MEL/QUIT (1:1) reticulada com GLU e (c) filme de MEL/QUIT (1:1) reticulada com GLU e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

Pela análise do voltamograma pode-se perceber claramente uma grande diminuição da área eletroativa do eletrodo e um desvio do potencial de pico. A partir disso foi feita a Tabela 7, com os valores referentes à modificação sem a utilização da nanopartícula.

Observa-se um decréscimo do ΔE em relação ao eletrodo sem modificação, aproximando levemente as características do eletrodo analisado ao de um condutor metálico. A razão entre as correntes de pico continua na mesma faixa das outras modificações, indicando um processo reversível.

(46)

46 Tabela 7: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

O Gráfico 6 trás as relações entre as corrente de pico anódica e catódica e a velocidade de varredura. 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -20 -10 0 10 20 I = -55,5570v1/2 - 7,1635 r² = 0,97665 I = 46,8750v1/2 + 6,4062 r² = 0,94735 I (  A) v1/2 (V s-1 ) Ia Ic

Gráfico 6: Relação entre as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:1) reticulada com glutaraldeído

(47)

47 A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0251 ± 0,00441) cm². O teste t indica que há diferença entre as médias das áreas obtidas (tpar = 22,5), mostrando que houve modificação da superfície.

Com isso foi feito o estudo em relação ao filme de melamina/quitosana 1:1 (m/m) reticulada com Glu e αCDAu, os dados estão descritos na Tabela 8.

Tabela 8: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com Glu e αCDAu, em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1

velocidade (V/s) Anódico (V) Catódico (V) Ep (V) Anódica (A) Catódica (A) Ipa/Ipc 0,01 0,315 0,210 0,105 7,83E-06 -1,28E-05 0,61 0,02 0,300 0,210 0,090 1,13E-05 -1,57E-05 0,72 0,03 0,295 0,210 0,085 1,41E-05 -1,74E-05 0,81 0,05 0,300 0,205 0,095 1,97E-05 -2,08E-05 0,95 0,075 0,300 0,205 0,095 2,42E-05 -2,24E-05 1,08 0,08 0,300 0,205 0,095 2,25E-05 -2,05E-05 1,10 0,1 0,300 0,205 0,095 2,47E-05 -2,19E-05 1,13 0,094±0,0061 0,91±0,21

O valor de ΔE diminui consideravelmente, se aproximando mais do esperado para um condutor metálico do que do eletrodo compósito sem modificação. O Gráfico 7 faz referência a esta modificação com as relações entre as correntes.

(48)

48 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -20 -10 0 10 20 30 I = 82,2853v1/2 - 0,00234 r² = 0,96838 I = -42,1719v1/2 - 9,6816 r²= 0,87413 I (  A) v1/2 (V s-1) Ia Ic

Gráfico 7: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:1) reticulada com Glu e αCDAu

A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0251 ± 0,00573) cm². O teste t indica que há diferença entre as médias das áreas obtidas (tpar = 25,1), mostrando que houve modificação da superfície.

Foi observada a formação de um filme branco isolante nos filmes formados utilizando as proporções de 1:1 (m/m) de mel e quit, o que está de acordo com o decréscimo da área eletroativa. Este fato pode ser observado pela Figura 13.

4.6 ÁREAS DOS FILMES MELAMINA/QUITOSANA 1:3 COM E SEM NANOPARTÍCULAS.

A última proporção estudada foi a MEL/QUIT 1:3 (m/m) intercruzadas com GLU sem e com αCDAu. O filme formado utilizando NP se tornou completamente isolante, não sendo possível a determinação de sua área eletroativa. A seguir, na Figura 20, estão os voltamogramas dos eletrodos modificados sem NP e o eletrodo sem modificação.

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49 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -6,0x10-5 -4,0x10-5 -2,0x10-5 0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 Ip (A) E (V) Sem modificaçao Mel/Quit 1:3 sem NP

Figura 20: Voltamogramas cíclicos (a) eletrodo sem filme e (b) com filme de MEL/QUIT (1:3) reticulada com GLU em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1, e velocidade de varredura de 30 mVs-1.

Através do voltamograma pode-se notar um desfavorecimento do processo catódico. A partir disso foi feita a Tabela 9, com os valores referentes à modificação sem a utilização da nanopartícula.

Tabela 9: Dados obtidos a partir da voltametria cíclica do eletrodo compósito modificado com filme de melamina/quitosana (1:1) reticulada com glutaraldeído em K3[Fe(CN)6] 5 mmol L-1 em KCl 0,5 mol L-1 , e velocidade de varredura de 30 mVs-1

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50 Observa-se um decréscimo da média da diferença dos potenciais de pico anódico e catódico, indicando uma aproximação entre os picos. Este valor está em concordância com o valor esperado para um processo reversível para um condutor metálico perfeito monitorado pela sonda empregada (n = 1, ∆E = 0,057V). A razão entre as correntes de pico aumentou bastante, sendo reflexo do desfavorecimento do processo catódico.

A seguir, Gráfico 8, são indicadas informações sobre a corrente de pico para o eletrodo modificado sem a utilização de NP.

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 -20 -10 0 10 20 30 40 I = -76,0740v1/2 - 2,5771 r² = 0,92897 I = 108,8132v1/2 + 9,1665 r² = 0,80891 I (  A) v1/2 (V s-1 ) Ia Ic

Gráfico 8: Relação entra as correntes anódica e catódica e v1/2 para o eletrodo compósito modificado com melamina/quitosana (1:3) reticulada com glutaraldeíro

A área foi calculada e o valor obtido foi: A = (0,0239 ± 0,00194) cm². O teste t indica que há diferença substancial entre as médias das áreas obtidas (tpar = 67,9), mostrando que houve modificação da superfície.

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51 4.7 COMPARAÇÕES DAS ÁREAS ELETROATIVAS PARA OS DIFERENTES FILMES FORMADOS.

Para ilustrar as comparações entre as áreas eletroativas dos sensores modificados foi construído um gráfico de barras, o Gráfico 9. Neste são representadas áreas médias e seus respectivos desvios, empregando n = 7 e correntes anódicas.

Sem reve stim ento Film e de mel amina Film e de mel amina com NP Au Film e de mel amina e q uitos ana 3:1 (m:m ) Film e de mel amina e quit osan a 3: 1 (m :m) c om N P Au Film e de mel amina e q uitos ana 1:1 (m:m ) Film e de mel amina e quit osan a 1: 1 (m :m) c om N P Au Film e de mel amina e q uitos ana 1:3 (m:m ) Film e de mel amina e quit osan a 1: 3 (m :m) c om N P Au 0,000 0,025 0,050 0,075 Are a el et ro at iva (cm 2 )

Gráfico 9: Comparação entre as áreas eletroativas para os eletrodos modificados e não modificado

A partir da análise do Gráfico, pode-se notar que nos filmes utilizando somente melamina como monômero da polimerização houve efetiva modificação da superfície do eletrodo. Para o filme sem a utilização de NP foi notada uma redução de 69% no valor de área enquanto que utilizando (NP) esse decréscimo foi de 42%.

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52 Nos filmes com diferentes proporções entre MEL e QUIT não houve diferença entre a formação do filme com e sem nanopartículas.

CONCLUSÕES

Estudos feitos anteriomente por Maira et al.16, mostraram que para o filme de quitosana o agente cross-link que levou a uma melhor corrente de resposta foi a epicloridrina. Na análise feita para a melamina o melhor filme formado foi utilizando glutaraldeído como agente intercruzante.

Nos filmes obtidos a partir da melamina intercruzada com glutaraldeído, as nanopartículas funcionaram de forma a aumentar/compensar a área eletroativa em relação ao filme formado sem a sua utilização. Tal achado nos permite inferir quando a possibilidade de uso de tais filmes com nanopartículas para aplicações mais seletivas, nas quais o compósito base não representa por si só uma alternativa viável.

Quando se utiliza quitosana e melamina na modificação do filme, provavelmente a nanopartícula se encontra inadequadamente encapsulada ao filme (formado pela quitosana e melamina), não contribuindo para a modificação da área superficial. Isso explica o motivo da área eletroativa do eletrodo não modificar com a adição de αCDAu.

Interessante, ainda, notar que, a despeito do uso do KCl como eletrólito suporte, as medidas puderam ser realizadas sem perda ou dano nas nanopartículas de ouro, o que para eletrodos em escala micro eventualmente representaria um problema devido a solubilização do ouro metálico.

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