UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - CCET
CURSO DE QUÍMICA
TALITA PEREIRA DE ASSIS PONTES
SÍNTESE, CARACTERIZAÇÃO DA BASE DE SCHIFF BIOPOLIMÉRICA COM COMPLEXO DE COBRE E ESTUDO SOBRE SUA APLICAÇÃO COMO ELETRODO
MODIFICADO
2019
TALITA PEREIRA DE ASSIS PONTES
SÍNTESE, CARACTERIZAÇÃO DA BASE DE SCHIFF BIOPOLIMÉRICA COM COMPLEXO DE COBRE E ESTUDO SOBRE SUA APLICAÇÃO COMO ELETRODO
MODIFICADO
NATAL, RN
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Graduação em Química, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Química.
Orientadora: Prof. Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Francisco Gurgel De Azevedo - Instituto Química - IQ Pontes, Talita Pereira de Assis.
Síntese, caracterização da base de Schiff biopolimérica com complexo de cobre e estudo sobre sua aplicação como eletrodo modificado / Talita Pereira de Assis Pontes. - Natal: UFRN, 2019.
87f.: il.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra - CCET, Instituto de Química. Curso de Química Bacharelado. Orientador: Drª. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes.
1. Nitrito. 2. Quitosana. 3. Bases de Schiff. 4. Eletrodo Quimicamente Modificado. I. Pontes, Ana Cristina Facundo de Brito. II. Título.
TALITA PEREIRA DE ASSIS PONTES
SÍNTESE, CARACTERIZAÇÃO DA BASE DE SCHIFF BIOPOLIMÉRICA COM COMPLEXO DE COBRE E ESTUDO SOBRE SUA APLICAÇÃO COMO ELETRODO
MODIFICADO
Aprovada em: ____/____/____
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________________________________________ Profa. Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes
Orientadora
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
___________________________________________________________________________ Profa. Dra. Marcia Rodrigues Pereira
Membro da Banca
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
___________________________________________________________________________ Profa. Dra. Pollyana Souza Castro
Membro da Banca
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Graduação em Química, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Química.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pai santíssimo, que me deu força, determinação e sabedoria para superar as dificuldades ao decorrer da minha trajetória.
Aos meus pais Maria Helena de Assis Pontes e Alberto Pereira de Pontes por todo amor, carinho, compreensão e apoio em todos os momentos da minha vida. Vocês são minha maior inspiração e foram fundamentais nessa conquista!
Ao meu irmão Taluan Augusto Assis de Pontes pelo afeto e compreensão.
À família Assis e Pontes por todo apoio, compreensão, ajuda, paciência e afeto. Por estarem presentes em muitos momentos difíceis de estresse e ansiedade, mas também nos momentos de felicidade. Deixo meu agradecimento especial também à minha tia Ester (in
memoriam) a quem dedico este trabalho, por todo amor e compreensão, por ter sido luz no meu
caminho.
Aos meus amigos de São Paulo, em especial Roberta Marinho e Aline Vivian por todo apoio, carinho e amor mesmo que distantes. Deixo registrado também meu agradecimento aos meus amigos de Natal, em especial Patrícia Assis, Thalita Medeiros, Mariana Raquel e Pedro Ítalo, os quais foram fundamentais durante minha trajetória acadêmica, dividindo momentos de dificuldade, mas também inúmeros momentos de alegria e companheirismo.
Agradeço também às minhas amigas do grupo oracional o qual faço parte, Maria José, Maria das Dores, Silvânia, Nalva e Samara por todo carinho, apoio e orações, fundamentais durante minha trajetória acadêmica.
À Prof. Dr. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes, minha orientadora, por todo carinho, inspiração, compreensão e aprendizado durante os anos de graduação. Sua orientação foi fundamental para o meu crescimento acadêmico, profissional e pessoal.
Aos professores Dr. Francisco Ordelei Nascimento da Silva e Dr. Daniel de Lima Pontes pela atenção, esclarecimento de dúvidas e por serem professores exemplos.
Aos meus amigos do Laboratório de Química de Coordenação e Polímero - LQCPol: Dayana, Magno, Francimar, Lalysson, Katherine, Ghabriela, Beatriz, Mayara, Dayane, Maria, Anallicy, Wendy, Thuanny, Verônica e Alexsandro, por todo carinho, incentivo, trocas de experiência, momentos de alegria e de descontração.
À central analítica e a todos do Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte que contribuíram para a realização deste trabalho.
“Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota no mar. Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota.” Madre Teresa de Calcutá
RESUMO
Novas alternativas para a identificação de nitrito vêm ganhando grande destaque uma vez que este é um poluente comumente encontrado em diferentes matrizes como águas, alimentos e agroindústria causando conseqüentemente danos para a saúde humana e meio ambiente. Eletrodos quimicamente modificados podem ser uma ótima opção para a identificação de nitritos visto que aumentam a seletividade e sensibilidade se comparados à eletrodos convencionais.
Desta forma, neste trabalho foi realizada a síntese e caracterização da base de Schiff biopolimérica (QP/OV) formada a partir da reação entre quitosana e orto-vanilina e a partir desta, um complexo de cobre (Cu/QP/OV) o qual também foi caracterizado por meio das técnicas de espectroscopia vibracional na região do infravermelho, espectroscopia de ressonância magnética nuclear de 1H e espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e
visível.
Foi testada a aplicação e adequação deste composto como modificador químico de eletrodo de trabalho a fim de empregá-lo na identificação de nitrito utilizando voltametria cíclica e voltametria de pulso diferencial. As respostas obtidas mostraram que o eletrodo modificado desenvolvido possui ótimo desempenho na identificação de nitrito ainda que em concentrações baixas, podendo assim ser aprimorado e posteriormente testado em amostras reais.
Palavras-chave: Nitrito. Quitosana. Bases de Schiff. Eletrodo Quimicamente Modificado.
ABSTRACT
New alternatives for nitrite identification have been gaining prominence as this is a pollutant commonly found in different matrices such as water, food and agroindustry, consequently causing damage to human health and the environment. Chemically modified electrodes can be a great choice for nitrite identification as they increase selectivity and sensitivity compared to conventional electrodes.
Thus, in this paper the synthesis and characterization of the biopolymeric Schiff base (QP / OV) formed from the reaction between chitosan and ortho-vanillin and from this, a copper complex (Cu / QP / OV) which It was also characterized by the techniques of infrared vibrational spectroscopy, 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy and ultraviolet and visible electron spectroscopy.
The application and suitability of this compound as a working electrode chemical modifier was tested in order to use it to identify nitrite using cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The obtained answers showed that the modified electrode developed has great performance in the identification of nitrite even in low concentrations, and can be improved and subsequently tested in real samples.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Comparação entre as estruturas da (a) Celulose (b) Quitina e (c)
Quitosana... 15 Figura 2 - Alguns derivados de quitina e quitosana... 18 Figura 3 - Representação da reação de formação de base de Schiff... 19 Figura 4 - Síntese geral de bases de Schiff a partir de quitosana e
aldeídos/cetonas... 20 Figura 5 - Representação esquemática dos diferentes tipos de rotas de preparação de
um EQM. Os termos M e M’ referem-se ao modificador redox reversível
no seu estado reduzido e oxidado,
respectivamente... 25 Figura 6 - Representação esquemática da oxidação da hemoglobina formando
metahemoglobina frente ao NO2- que sofre redução convertendo-se à
NO... 29 Figura 7 - (a) Varredura de potencial linear (variação do potencial com o tempo). (b)
Variação da corrente com o potencial... 31 Figura 8 - (a) Varredura de potencial cíclico (variação do potencial com o tempo).
(b) Voltamograma cíclico de uma reação genérica redox... 32 Figura 9 - (a) Representação esquemática da aplicação de potencial em função do
tempo. (b) Perfil do voltamograma corrente versus potencial obtido em
uma análise de DPV... 34 Figura 10 - Representação esquemática da SWV. (a) Forma de aplicação do
potencial, onde a resposta de corrente Δi é igual a subtração da corrente
no potencial 1 e a corrente no potencial 2. (b) Resposta típica de corrente versus potencial para uma reação reversível, onde a corrente resultante é igual a corrente do sentido direto menos a corrente do sentido
inverso... 35 Figura 11 - Representação ilustrativa do eletrodo quimicamente modificado com
Cu/QP/OV e especificação das medidas reais... 39 Figura 12 - Ilustração da célula eletroquímica utilizada... 41 Figura 13 - Mecanismo de formação da base de Schiff sintetizada a partir de
Figura 14 - Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha
de KBr na região de 4000 a 400 cm-1... 43 Figura 15 - Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha
de KBr na região de 2000 a 400 cm-1... 44 Figura 16 - Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha
de KBr na região de 1100 a 400 cm-1... 45 Figura 17 - Espectro vibracional na região do infravermelho da quitosana purificada
em pastilha de KBr na região de 4000 a 400 cm-1... 47 Figura 18 - Espectro vibracional na região do infravermelho da quitosana purificada
em pastilha de KBr na região de 1100 a 400 cm-1... 48 Figura 19 - Espectro vibracional na região do infravermelho da base de Schiff
(QP/OV) em pastilha de KBr na região de 4000 a 400 cm-1... 49 Figura 20 - Espectro vibracional na região do infravermelho do complexo Cu/QP/OV
em pastilha de KBr na região de 4000 a 400 cm-1... 50
Figura 21 - Sobreposição dos espectros vibracionais na região do infravermelho em pastilha de KBr dos compostos (QP/OV) (vermelho) e (Cu/QP/OV)
(preto) na região de 1800 a 400 cm-1... 51 Figura 22 - Espectro eletrônico da o-vanilina na região de 200 a 800 nm realizado em
meio aquoso... 54 Figura 23 -
Figura 24 -
Espectro eletrônico da base de Schiff (QP/OV) na região de 200 a 800 nm realizado em meio aquoso pH 5... Espectro eletrônico da base de Schiff (QP/OV) na região de 310 a 500 nm realizado em meio aquoso pH 5 (preto) e mais concentrado (vermelho)...
55
56 Figura 25 - Espectro eletrônico do complexo (Cu/QP/OV) na região de 200 a 800 nm
realizado em meio aquoso pH 5... 57 Figura 26 - Espectro eletrônico do complexo Cu/QP/OV na região de 310 a 550 nm
realizado em meio aquoso pH 5(preto) e mais concentrado (vermelho).... 58 Figura 27 - Espectro de ressonância magnética nuclear de hidrogênio para a base de
Schiff (QP/OV)... 61 Figura 28 - Voltamograma cíclico do eletrodo de trabalho modificado com o
complexo Cu/QP/OV em tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5; velocidade de
Figura 29 - Voltamogramas cíclicos da variação da velocidade de varredura de 25 a 500 mVs-1 em eletrólito tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5 utilizando para
a análise o eletrodo modificado com Cu/QP/OV... 63 Figura 30 - Voltamograma cíclico utilizando o eletrodo de trabalho modificado com
o complexo Cu/QP/OV na ausência de nitrito (preto) e na presença de 0,6
μM de nitrito (vermelho). Velocidade de varredura 0,05 V s-1... 65
Figura 31 –
Figura 32 –
Figura 33 – Figura 34 –
Voltamograma cíclico de 0,12 μM de nitrito em tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5, em eletrodo de pasta de carbono (preto) e em eletrodo modificado com Cu/QP/OV (vermelho). Velocidade de varredura 0,05 V s-1... Voltamogramas cíclicos de nitrito em tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5, variando as concentrações de nitrito de 0,0645 a 0,8 μM, com eletrodo de trabalho modificado com o complexo Cu/QP/OV. Velocidade de varredura 0,05 V s-1...
Curva analítica do nitrito em tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5...
Voltamograma de pulso diferencial para a redução do nitrito no eletrodo modificado com o complexo Cu/QP/OV, em tampão fosfato 0,1 mol L-1, pH 5. Velocidade de varredura 0,05 V s-1...
66
67 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Reagentes e solventes utilizados nos procedimentos experimentais... 36 Tabela 2 - Atribuições dos principais modos vibracionais observados no espectro
vibracional de infravermelho da o-vanilina... 46 Tabela 3 - Principais modos vibracionais do espectros de infravermelho dos
compostos QP/OV e Cu/QP/OV... 52 Tabela 4 - Atribuições dos espectros eletrônicos da o-vanilina, QP/OV e
Cu/QP/OV... 59 Tabela 5 - Identificação dos núcleos e respectivos deslocamentos químicos (ppm)
observados no espectro de 1H RMN do QP/OV... 60 Tabela 6 - Parâmetros estatísticos obtidos para o método proposto para a
determinação de NO2- sobre o eletrodo modificado com o complexo
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Ag/AgCl Eletrodo de referência de prata/cloreto de prata
CPE Eletrodo de pasta de carbono (do inglês, carbon paste electrode) CV
Cu/QP/OV
Voltametria cíclica (do inglês, cyclic voltammetry) Complexo de cobre e base de Schiff biopolimérica DNA Ácido desoxirribonucléico
DPV Voltametria de pulso diferencial (do inglês, differencial pulse
voltammetry)
E Potencial
EQM Eletrodo quimicamente modificado GD Grau de desacetilação LSV MetHb OV OMS QP
Voltametria de varredura linear (do inglês, linear sweep voltammetry) Metahemoglobina
Orto-vanilina
Organização Mundial da Saúde Quitosana purificada
QP/OV Base de Schiff biopolimérica
SAM Monocamadas automontadas derivadas de alcanotióis (do inglês,
self-assembledmonolayer)
SWV Voltametria de onda quadrada (do inglês, square wave voltammetry) Uv-vis Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 13 2 OBJETIVOS... 14 2.1 Objetivo geral... 14 2.2 Objetivos específicos... 14 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA……….... 15
3.1 Complexo de cobre e base de Schiff biopolimérica... 15
3.1.1 Quitosana... 15
3.1.2 Bases de Schiff………….………... 19
3.2 Eletrodo quimicamente modificado... 21
3.3 Nitrito... 25
3.4 Técnicas eletroquímicas... 30
3.4.1 Voltametria de varredura linear (LSV)... 30
3.4.2 Voltametria cíclica (CV)………. 31
3.4.3 Voltametria de pulso diferencial (DPV)... 33
3.4.4 Voltametria de onda quadrada (SWV)... 34
4 MATERIAL E MÉTODOS... 35
4.1 Reagentes utilizados... 35
4.2 Procedimento de purificação da quitosana... 37
4.2.1 Método de purificação da quitosana... 37
4.3 Síntese da base de Schiff e do complexo... 37
4.3.1 Procedimento de síntese da base de Schiff... 37
4.3.2 Procedimento de síntese do complexo de cobre………...………... 38
4.4 Preparo do eletrodo de trabalho quimicamente modificado... 38
4.4.1 Procedimento de preparo do eletrodo quimicamente modificado com o complexo... 38
4.5 Técnicas de caracterização... 39
4.5.1 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho... 39 4.5.2
4.5.3
Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível... Espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio...
39 40
4.6 Análises voltamétricas... 40
4.6.1 Instrumentação... 40
4.6.2 Célula eletroquímica utilizada nos experimentos... 40
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 41
5.1 Mecanismo da síntese da base de Schiff... 41
5.2 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho... 43
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 Espectro de infravermelho da o-vanilina (OV)... Espectro de infravermelho da quitosana purificada (QP)... Espectro de infravermelho da base de Schiff (QP/OV) e do complexo (Cu/QP/OV)... Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível... Espectro eletrônico UV-vis da o-vanilina... Espectro eletrônico UV-vis do QP/OV... Espectro eletrônico UV-vis do Cu/QP/OV... Comparação entre os espectros eletrônicos da o-vanilina, QP/OV e Cu/QP/OV... Ressonância magnética nuclear de hidrogênio... Análises voltamétricas... Perfil do eletrodo de trabalho utilizado nos experimentos... Efeito da taxa de varredura... Comparação entre o perfil do eletrodo de trabalho modificado e o perfil do nitrito... Perfil de redução do nitrito: eletrodo de pasta de carbono (CPE) x eletrodo quimicamente modificado (EQM)... Perfil dos voltamogramas cíclicos da redução do nitrito... Perfil da redução do nitrito por voltametria de pulso diferencial (DPV)... 43 46 49 53 53 54 56 58 59 61 61 63 64 65 66 69 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 70 REFERÊNCIAS………... APÊNDICE……… 72 85
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, observa-se um crescimento na busca por métodos fáceis e eficazes para o monitoramento dos níveis de nitrito (NO2-) no meio ambiente. O controle de nitrito em águas
naturais, solos, alimentos e consequentemente nos seres humanos dá-se devido ao seu crescente uso em aditivos, conservantes e fertilizantes (NITHYAYINI et al., 2019). Muitas linhas de pesquisa vêm explorando o desenvolvimento e modificação de novos eletrodos com o intuito de potencializar respostas analíticas, como na identificação de nitrito.
O NO2- tem sido relatado com destaque como um poluente comumente presente no
meio aquático. São diversos os danos ecológicos causados pelo aumento das concentrações de nitrito em esgotos, águas e agricultura. Consequentemente, o alto teor de nitrito no sangue causa estresse oxidativo em excesso, destruindo o equilíbrio do sistema enzimático antioxidante e danificando os órgãos (MIAO et al., 2018).
Uma alternativa eficaz para a identificação de íons poluentes em baixas concentrações que tem sido reportada na literatura são os eletrodos quimicamente modificados. A alteração na superfície do eletrodo confere a este a possibilidade de explorar novas características para fins analíticos (OURANI et al., 2015).
Neste trabalho, foi sintetizado e caracterizada a base de Schiff biopolimérica com compleox de cobre (Cu/QP/OV) o qual foi utilizado como agente modificador de eletrodo de pasta de carbono. Bases de Schiff integram o grupo de compostos orgânicos que possuem grupamento funcional C=N (imina) e podem ser formadas a partir de uma reação de condensação entre uma amina primária como presentes na molécula de quitosana e o grupo carbonila de aldeídos como encontrado na molécula de orto-vanilina, formando assim bases de Schiff biopoliméricas (SOLOMONS et al., 2018). Este material pode ser empregado como ligante e coordenado a íons metálicos em complexos, sendo estudadas há muitos anos na química inorgânica devido algumas características interessantes como síntese simples, versatilidade como ligante e ampla faixa de capacidade quelante (KHAN et al., 2017).
Geralmente, os íons metálicos, nos complexos com bases de Schiff, coordenam-se através do átomo de nitrogênio da imina e muitas vezes, por outros átomos doadores presentes na molécula (AMER et al., 2019). Complexos de Cobre (II) possuem elétrons desemparelhados o que lhes confere propriedades magnéticas (DEILAMI et al., 2019), além disso, o cobre tem sido descrito como um metal eletroativo possuindo um par redox Cu2+/Cu+ (RASHTI et al.,
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
O principal objetivo deste trabalho foi realizar a síntese e caracterização do complexo de cobre e base de Schiff biopolimérica (Cu/QP/OV) bem como testar sua aplicação na modificação do eletrodo de trabalho de pasta de carbono a fim de estudar a sensibilidade eletroquímica deste na identificação de nitrito.
2.2 Objetivos específicos
Sintetizar o complexo de cobre e base de Schiff biopolimérica;
Caracterizar a base de Schiff e o complexo obtido através das técnicas de Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível e Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho;
Caracterizar a base de Schiff biopolimérica através da técnica de Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de 1H;
Produzir um eletrodo quimicamente modificado com o complexo sintetizado;
Verificar a sensibilidade do eletrodo modificado frente ao nitrito utilizando voltametria cíclica e voltametria de pulso diferencial.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Complexo de cobre e base de Schiff biopolimérica
3.1.1 Quitosana
A quitosana (figura 1 (c)) é um polissacarídeo de estrutura linear, copolímero formado quase que em sua totalidade por unidades de 2-acetamino-2-desoxi-D-glicopiranose unidas por ligações β(1→4) glicosídicas (CAVALCANTE, 2016). É o mais importante derivado da quitina (figura 1 (b)), que também é um biopolímero de estrutura muito semelhante à celulose como observado na figura 1 (a), normalmente encontrado na natureza na forma de microfibrilas cristalinas ordenadas, extremamente importante na estrutura de resistência de insetos, crustáceos, fungos, leveduras e em esponjas marinhas (HAMED et al., 2016). A obtenção da quitosana se dá por meio do processo de desacetilação da quitina, de tal forma que, denominam-se quitosanas, as quitinas que passaram pelo processo de desacetilação. Assim, a quitosana possui estrutura primária idêntica à da quitina diferindo desta apenas no número de grupamentos acetil (-COCH3) em sua estrutura.
Figura 1 - Comparação entre as estruturas da (a) Celulose (b) Quitina e (c) Quitosana.
Geralmente, os processos químicos mais utilizados para a desacetilação da quitina, são processos heterogêneos nos quais o polímero é suspenso em soluções aquosas concentradas de hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio (40% - 60%), tratado por intervalos de tempos variáveis (0,5 h - 24 h) e exposto à temperaturas consideravelmente altas (50°C – 130°C) (CAMPANA-FILHO et al., 2007). A partir do processo de desacetilação, o grupamento acetamido (-NHCOCH3) presente nas unidades de N-acetilglicosamina (Gl-NAc) são
convertidos em grupos amino (-NH2), originando um heteropolissacarídeo com diferentes graus
médios de substituição (GD). A quitina apresenta-se como um polissacarídeo nitrogenado, inodoro e insípido. Possui excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, no entanto, é altamente hidrofóbica, sendo assim insolúvel em água e até mesmo na maioria dos solventes orgânicos (CAVALCANTE, 2016). O intuito em realizar a desacetilação desta é justamente melhorar algumas das suas propriedades, como por exemplo, sua solubilidade em meio ácido.
A solubilidade da quitosana está diretamente relacionada ao GD, uma vez que, quanto maior este grau, mais grupamentos aminos estarão livres e susceptíveis a sofrer protonação, aumentando assim, sua solubilidade (NASCIMENTO, 2016).Deste modo, a quitosana apresenta-se como um polieletrólito catiônico devido às cargas positivas em seus grupamentos amino, possuindo boa solubilidade em soluções de ácidos diluídos (pH< 6 – 6,5), como o ácido acético, ácido fórmico, ácido lático, ácido clorídrico e ácido málico (HAMED et al., 2016).
A quitosana é um biopolímero versátil, pois apresenta ótima biocompatibilidade, biodegradabilidade e atoxicidade. Características como estas fazem com que venha sendo estudada há décadas e em diversas áreas, como por exemplo, na formação de compósitos, no desenvolvimento de novos fármacos, em sensores, na engenharia de tecidos, embalagens e biotecnologia. Outra vantagem deste polímero é sua excelente estabilidade mecânica, possibilitando sua aplicação na forma de filmes, pó, malhas de fibras, membranas, esferas e gel dependendo da aplicabilidade desejada (ALI; AHMED, 2018).
A utilização de quitosana na modificação de eletrodos como sensores para os mais variados fins também tem sido relatada na literatura, como por exemplo, na identificação e monitoramento de interações e/ou reações bioquímicas. Piovesan et al., (2018) descreveram um estudo em que foi utilizado um eletrodo de carbono vítreo modificado com nanopartículas de magnetita dispersas em quitosana para detectar paratião (pesticida agrícola e potencial inseticida e acaricida) em amostras de alimentos (cenoura, laranja, tomate, alface e arroz) utilizando para esta identificação SWV (voltametria de onda quadrada) catódica, conseguindo
observar um pico definido correspondente à redução do grupo nitro ao grupo hidroxilamina (PIOVESAN et al., 2018).
Bouabi et al., (2016) desenvolveram um eletrodo de pasta de carbono modificado com quitosana na forma de gel a fim de determinar eletroquimicamente via voltametria de onda quadrada paracetamol em amostras de água natural, comprimidos comerciais e urinas humanas. Os autores observaram que a resposta da corrente anódica aumenta com o aumento da quantidade de biopolímero até o limite de 2% de quitosana utilizada na preparação de EQMs (eletrodos quimicamente modificados). Observou-se ainda que, o eletrodo desenvolvido mostrou-se adequado para a detecção de paracetamol, uma vez que seus valores de detecção foram superiores aos já utilizados como referência (BOUABI et al., 2016).
Bakhshet et al., (2019) apresentaram um método de modificação de eletrodos para a detecção e redução de nitroanilina, um contaminante orgânico, utilizando como agente modificador em nanopartículas de cobre incorporadas em matrizes biopoliméricas de quitosana, sendo este revestido em eletrodo de carbono vítreo formando assim o sensor eletroquímico, avaliando a capacidade de detecção do eletrodo em relação à nitroanilina por voltametria cíclica e amperometria apresentando este boa sensibilidade e possível aplicação para fins de segurança ambiental (BAKHSH et al., 2019).
A quitosana pode sofrer diversas modificações que tem como objetivo melhorar suas propriedades, como resistência mecânica, sua solubilidade em água ou em outros solventes ou conferir a esta, características químicas para determinadas aplicações. A figura 2 mostra algumas destas modificações.
Figura 2 - Alguns derivados de quitina e quitosana.
Fonte: CAMPANA-FILHO et al., 2007.
Por todas essas possibilidades de modificações e possíveis aplicações que fazem com que a quitosana seja um material amplamente pesquisado, essa versatilidade atrelada a sua não toxicidade fazem dela um material quase único. Dentre as modificações possíveis, neste trabalho iremos explorar a formação da base de Schiff, tendo em vista sua aplicação como eletrodo modificado.
3.1.2 Bases de Schiff
Bases de Schiff são uma classe de compostos orgânicos que foram descobertos pelo químico alemão Hugo Joseph Schiff, descritas pela primeira vez em um trabalho publicado por ele em 1864. São geralmente sintetizadas a partir da reação de condensação entre aminas primárias e compostos carbonílicos como aldeídos e cetonas, sendo caracterizadas assim pela formação de uma ligação dupla entre o carbono carbonílico e o nitrogênio da amina caracterizando desta forma o grupamento imina (C=N) conforme observado na figura 3 (ANTONY et al., 2019).
Figura 3 - Representação da reação de formação de base de Schiff.
Fonte: SOUZA JÚNIOR, 2015.
A formação da base de Schiff pode ser confirmada através de algumas técnicas como espectroscopia eletrônica de absorção Uv-vis e espectroscopia vibracional na região do infravermelho, nas quais é possível observar a presença de bandas características do grupo imina. Sua caracterização também pode ser realizada através da análise de ressonância magnética nuclear de hidrogênio, caracterizando através desta a ausência do sinal do hidrogênio referente ao grupo imina (CAVALCANTE, 2016).
É possível realizar a formação de base de Schiff, em especial a partir da molécula de quitosana, através da condensação do grupo amino presente nesta com grupos carbonila de diferentes aldeídos ou cetonas, eliminando água (figura 4). A síntese de base de Schiff a partir de quitosana é geralmente realizada utilizando a mistura de solventes: ácido acético e metanol, a temperatura ambiente. Após a reação de formação da base de Schiff é possível a formação de membranas, pó, gel e filmes dependendo da aplicação desejada (ANTONY et al., 2019).
Figura 4 - Síntese geral de bases de Schiff a partir de quitosana e aldeídos/cetonas.
Fonte: ANTONY et al., 2019.
A produção de Bases de Schiff tem atraído bastante atenção dos pesquisadores por apresentar algumas características, tais como, suas sínteses que são relativamente fáceis, a diversidade estrutural e sua possível capacidade em atuar como ligante em complexos metálicos coordenando-se a metais de transição em vários estados de oxidação conferindo a estes uma maior resistência mecânica e proporcionando-lhes a possibilidade de variações estruturais e funcionais (RANI et al., 2018). A coordenação ao centro metálico é geralmente feita através do par eletrônico do átomo de nitrogênio imínico e em algumas vezes observa-se também a coordenação de outro grupo presente na molécula, geralmente um aldeído (ARAÚJO, 2014).
Complexos metálicos contendo como ligantes as bases de Schiff vêm sendo relatados quanto a possível aplicação destes como agente modificador de eletrodos de trabalho que muitas vezes, quando modificados apresentam capacidade de desempenhar o papel de sensores eletroquímicos.
LOTFALI et al., (2011) estudaram a aplicabilidade de um eletrodo de carbono vítreo modificado com nanotubos de carbono imobilizados com complexo de ferro (III) e base de Schiff do tipo Salen, em desempenhar a capacidade de biosensor para a eletrooxidação e determinação de aminoácidos. Este eletrodo quimicamente modificado (EQM) apresentou excelente atividade catalítica frente à oxidação dos aminoácidos, desempenhando boa estabilidade, alta sensibilidade e baixo limite de detecção quando comparado com o eletrodo de carbono vítreo modificado apenas com os nanotubos de carbono (LOTFALI et al., 2011).
Mais recentemente, Ourani et al., (2017) apresentaram um estudo sobre a identificação de nitrito e bromato utilizando eletrodo de pasta de carbono modificado com um complexo de cobre e base de Schiff. Os resultados demonstraram a eficiência do eletrodo quimicamente
modificado (EQM) na redução dos íons estudados apresentando baixos limites de detecção. A coordenação ao cobre (II) por meio do ligante base de Schiff foi realizada via nitrogênio imínico bem como oxigênio derivado do aldeído precursor (OURANI et. al., 2017). Desta forma, a formação de complexos metálicos com bases de Schiff apresentam possível aplicabilidade em eletroquímica, especialmente na confecção de EQMs.
3.2 Eletrodo quimicamente modificado
A primeira vez que o termo eletrodo quimicamente modificado (EQM) foi utilizado, se deu na década de 70 (1975) através de Murray e colaboradores. Os autores definiram EQMs como eletrodos com espécies ativas intencionalmente imobilizadas em suas superfícies, a fim de pré-estabelecer e controlar a natureza físico-química da interface eletrodo-solução. A modificação da superfície de um eletrodo permite um maior controle sob a seletividade e reatividade deste, melhorando e conferindo-lhe novas características as quais possibilitam diversas formas de aplicação (SOUZA, 1997).
Antes mesmo do termo EQM ser definido por Murray e colaboradores, ainda na década de 60, surgiram os primeiros trabalhos envolvendo a modificação de eletrodos com diversos propósitos de aplicação. Um relevante exemplo de trabalho em que foi abordada a modificação da superfície de um eletrodo foi o estudo publicado por Lane e Hubbard (1973) no qual foram adsorvidas olefinas funcionalizadas na superfície de eletrodos de platina a fim de investigar a tendência de grupos alcenos a quimissorverem-se sobre a superfície deste metal (LANE; HUBBARD, 1973).
Nas últimas décadas, a modificação de eletrodos tem sido estudada como uma potencial solução para contornar problemas de baixa seletividade e sensibilidade associados à eletrodos ditos como inertes como por exemplo de carbono vítreo, platina, ouro e mercúrio. Atualmente, eletrodos de pasta de carbono (CPE) destacam-se como um dos mais empregados em análises eletroquímicas devido seu desenvolvimento simples, baixo custo, fácil modificação, baixa corrente de fundo, facilidade de renovação da superfície e resposta rápida (MADHUCHANDRA; SWAMY, 2019). Este tipo de eletrodo consiste em pó de grafite eletricamente condutor e um líquido orgânico o qual cumpre o papel de aglutinante necessitando ser imiscível no eletrólito.
Um dos trabalhos pioneiros, que relatam a construção de eletrodos de pasta de carbono incorporando a estes uma substância eletroativa em pasta de carbono foi o estudo publicado por
Kuwana em 1965 onde foram investigados a dissolução de compostos orgânicos (SCHULTZ; KUWANA, 1965). Mais tarde, Yao e Musha relataram a modificação de um CPE imobilizando uma espécie eletroativa na superfície deste, a fim de realizar determinações eletroquímicas enzimáticas de etanol e ácido l-lático (YAO; MUSHA, 1979).
No entanto, o avanço em relação ao amplo uso de CPEs modificados se deu após o início de estudos com uma modificação até então não utilizada, em que o modificador é misturado diretamente com a pasta de carbono. Este método foi primeiramente descrito por Ravichandran e Baldwin em 1981 e hoje é conhecido como modificação via formação de compósitos (HONEYCHURCH, 2012).
Um EQM é formado basicamente de duas frações, o substrato e o agente modificador. Existem diferentes formas de preparar um EQM, a escolha do método mais conveniente deve considerar as características analíticas desejadas para o eletrodo e principalmente o substrato, que é o material para o eletrodo base, cuja superfície sofrerá a modificação. É necessário que este substrato apresente características eletroquímicas adequadas como boa condutividade e também ser compatível com o método de imobilização escolhido (SILVA, 2014).
De forma geral, podemos citar quatro principais métodos para a imobilização de espécies eletroativas na superfície de eletrodos: adsorção (ou quimissorção), formação de compósitos, formação de ligação covalente e recobrimento com membranas poliméricas (SOUZA, 1997; ZEN et al., 2003). Na figura 5 observa-se a representação das quatro maneiras possíveis para a preparação de EQMs.
I. Adsorção: A adsorção também conhecida como quimissorção, é o procedimento mais simples de modificação. A vantagem se dá por este método não requerer reagentes especiais para a fixação do modificador no substrato, sendo possível modificá-lo através da dissolução do agente modificador em um determinado solvente, seguida de exposição, geralmente por imersão, da superfície do eletrodo à esta solução (SILVA, 2014).
Um dos exemplos mais conhecidos de espécies adsorvidas na superfície de eletrodo são os chamados SAMs (do inglês, self-assembledmonolayer), que são monocamadas automontadas e extremamente organizadas de alcanotióis adsorvidas na superfície de eletrodos de ouro, muito empregadas na fabricação de sensores eletroquímicos para uso em diversas aplicações como inibição de corrosão, revestimentos, dispositivos eletrônicos moleculares e biomimética (KOLODZIEJ et al., 2018; CHOI et al., 2019). Ainda que simples, a técnica possui a limitação de produzir EQMs com no máximo uma monocamada do agente modificador imobilizado na superfície do eletrodo, limitando a faixa de resposta linear e a vida útil do EQM
uma vez que, o fenômeno de adsorção é um processo de equilíbrio, onde há a desvantagem da inevitável ocorrência de dessorção do modificador para o meio durante sua utilização, acarretando assim na diminuição da reprodutibilidade (SOUZA, 1997).
II. Formação de compósitos: O procedimento para a produção deste tipo de EQM se dá a partir da mistura direta do modificador com o substrato, sendo este uma matriz condutora. Pastas de carbono são os principais exemplos de substrato adequados para esse tipo de modificação. Neste caso, o modificador pode ser dissolvido em um aglutinante ou diretamente misturado à pasta durante sua homogeneização (RADI, 2010).
Na formação de EQMs de pasta de carbono, o substrato é geralmente grafite em pó (ou outros materiais de carbono) e é utilizado para a formação da pasta um agente aglutinante, que é habitualmente um líquido orgânico (como óleo mineral, por exemplo) que precisa ser quimicamente e eletroquimicamente inerte, imiscível com a solução do analito e ter baixa volatilidade. Eletrodos modificados de pasta de carbono possuem vantagens como baixo custo, fácil renovação da superfície, facilidade de preparação e ampla faixa de potencial de trabalho (EULLES, 2011). Em contrapartida, em alguns casos pode gradualmente ocorrer perda de modificador para a solução afetando assim a reprodutibilidade do método.
III. Formação de ligação covalente: O procedimento para este tipo de modificação parte do princípio de que o modificador pode ser ligado covalentemente ao substrato do eletrodo por meio de alterações de grupos funcionais presentes em sua superfície. Um exemplo conhecido de preparação de EQMs utilizando este método é a aplicação de reações de silanização, envolvendo organosilanos e óxidos presentes no substrato. Grande parte dos eletrodos metálicos, quando em meio ácido sofrem oxidação, apresentando uma fina camada de óxido em sua superfície, bastante reativa em relação à silanos. Desta forma, após o metal sofrer oxidação, este pode ser silanizado e posteriormente reagir com outra molécula que contenha em sua estrutura o grupo funcional que se deseja imobilizar. Os silanos neste caso, podem atuar como uma espécie de ponte a fim de fixar o grupo funcional de interesse na superfície do eletrodo.
Também é possível modificar através deste método, superfícies de eletrodos à base de carbono em virtude da presença de grupos óxidos funcionais como álcoois, ácidos carboxílicos, cetonas e anidridos. Desta forma, a modificação deste tipo de substrato é baseada na manipulação da reatividade destes grupos funcionais frente a compostos como aminas, organosilanos, cloreto de tionila, entre outros. Os EQMs preparados via ligação covalente apresentam estabilidade maior em relação aos obtidos pelos demais métodos, porém são mais
difíceis de preparar, além da limitação da tendência de formar apenas uma monocamada (SOUZA, 1997).
IV. Recobrimento com membranas poliméricas: Outra possibilidade de modificação de eletrodos é o recobrimento da superfície por filmes poliméricos que devem ser condutores ou permeáveis ao eletrólito suporte e à espécie de interesse. Uma grande vantagem dessa forma de modificação, é a possibilidade de imobilização de muitas monocamadas da espécie ativa na superfície do eletrodo resultando na potencialização da resposta eletroquímica. O filme polimérico pode ser orgânico, organometálico ou inorgânico, o agente modificador já pode estar contido no filme ou este pode ser adicionado ao polímero em uma outra etapa. A modificação com polímeros eletroativos pode ser dividida em duas principais categorias, dependendo da forma que o centro redox é imobilizado: quando o centro redox é parte da cadeia polimérica denomina-se polímeros redox e quando o componente redox ativo é um contra-íon de uma membrana poli-iônica como o Nafion®, por exemplo, denomina-se polímeros de troca iônica.
O recobrimento polimérico pode ser realizado a partir de soluções de polímeros pré-formados ou por meio de polimerização na própria superfície do eletrodo a partir de unidades monoméricas. Neste último caso, o procedimento pode ser realizado via eletropolimerização ou utilizando alguns métodos eletroquímicos como por exemplo, polimerização ativada por plasma (RADI, 2010; SOUZA, 1997).
Figura 5 - Representação esquemática dos diferentes tipos de rotas de preparação de um EQM.Os termos M e
Fonte: Adaptado de ZEN et al., 2003.
3.3 Nitrito
Nos últimos anos, temos acompanhado um crescimento contínuo da população mundial o que resulta em uma maior demanda na produção de alimentos e consequentemente, na necessidade de aditivos eficientes que promovam maior conservação e qualidade destes. Em consequência, há também um aumento na quantidade de substâncias poluentes que são associadas ao meio ambiente e/ou assimiladas à dieta humana. Um exemplo de poluente inorgânico, amplamente encontrado em solos e águas naturais, é o nitrito (NO2-).
O nitrito é um importante intermediário do ciclo do nitrogênio, em especial na nitrificação que é o termo utilizado para descrever a etapa inicial do processo biológico de remoção de nitrogênio, essencial para o desempenho de ecossistemas aquáticos e terrestres. Neste processo, a amônia inicialmente sofre oxidação convertendo-se para nitrito que posteriormente oxida-se convertendo-se a nitrato. Nesta etapa ocorre a oxidação biológica do nitrogênio por parte das bactérias oxidadoras de amônia e pelas bactérias oxidadoras de nitrito seguindo as equações 1 e 2, respectivamente (ZOPPAS et al., 2016).
NH4+ +
⅗
O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O (Equação 1)NO2- +
½
O2 → NO3- (Equação 2)Apesar de naturalmente presente no meio ambiente, o nitrito é um dos compostos tóxicos mais comuns em ambientes aquáticos. Normalmente, sua concentração em águas naturais é relativamente baixa, no entanto, pode atingir concentrações mais elevadas devido seu uso excessivo em diferentes aplicações, apresentando-se como um dos principais poluentes que impactam organismos aquáticos, podendo inclusive ser utilizado como um indicador expressivo da qualidade natural da água (HAH et al., 2017).
Muitos estudos têm investigado a toxicidade por nitrito em animais aquáticos uma vez que o nitrito no ambiente aquático pode ser absorvido através das brânquias e posteriormente acumulado em altas concentrações nos fluidos naturais (JENSEN, 2003). Recentemente, Cheng
et al., (2020) estudaram os efeitos da exposição de caranguejos-da-lama (Scylla paramamosain)
ao nitrito em até 72 horas a 0, 5, 10 e 15 mg L-1. Os resultados observados indicaram que a exposição ao nitrito pode induzir o extresse oxidativo, causando danos ao DNA, além de danos citológicos (CHENG et al., 2020). LV et al., (2019) avaliaram os efeitos da exposição de amêijoas (Ruditapes philippinarum), moluscos bivalves, ao nitrito em concentrações
ambientais durante o intervalo de tempo de 1 a 7 dias e verificaram que, a exposição desses animais ao nitrito pode causar danos oxidativos, distúrbios na proliferação celular e diminuição da imunidade (LV et al., 2019).
Em diferentes formas de vida marinha, a exposição ao nitrito é relatada como capaz de induzir a disfunção fisiológica do sangue, estresse oxidativo, distúrbio nos processos osmorreguladores e endócrinos envolvendo alterações no funcionamento da glândula tireoidiana. O nitrito é relatado como sendo uma considerável ameaça para o desenvolvimento saudável da aquicultura marinha, demonstrando assim a relevante toxicidade deste íon para os animais e consequentemente para a saúde humana (LV et al., 2019).
Por mais de 50 anos, são estudadas as relações entre nitrato e nitrito presentes em produtos alimentícios e seus possíveis riscos à saúde humana. Estudos sugerem que a alta ingestão de nitratos e nitritos na dieta é um fator contribuinte para o desenvolvimento de certos tipos de câncer, com destaque para tumores esofágicos e gastrointestinais. O nitrato (NO3-) por
si só não oferece perigo, no entanto, este pode ser parcialmente reduzido a nitrito através da atividade de bactérias na cavidade oral. Desta forma, o nitrato ingerido é rapidamente absorvido acumulando-se na saliva, através do transporte ativo do sangue para as glândulas salivares. Ocorre então a redução deste a nitrito pela microflora oral, assim o nitrito formado é ingerido e consequentemente associa-se ao aumento dos níveis circulantes de nitrito (LA POMÉLIE et al., 2018; KAPIL et al., 2013).
A grande preocupação com a ingestão de nitrito se dá principalmente pelo seu papel de considerável precursor, podendo este ser um importante agente para a formação de N-nitrosaminas, que são compostos não-halogenados altamente carcinogênicos mesmo em níveis extremamente baixos (MAO et al., 2018; JI et al., 2019), que tem como característica principal a presença de um grupo nitroso ligado à uma amina. Compostos N-nitrosos são produzidos por meio da reação química entre compostos orgânicos nitrogenados e um agente nitrosante. Apesar do íon nitrito ser inativo para tal, este pode formar espécies nitrosantes ativas como por exemplo, o anidrido nitroso (N2O3), como observado nas equações 3 e 4, formado a partir de 2
mols de NO2- em solução aquosa ácida, o qual é o principal agente nitrosante que participa da
formação de N-nitrosaminas em sistemas alimentícios (ANDRADE, 2004).
N-nitrosaminas são formadas muitas vezes sob condições ácidas no estômago, e podem consequentemente levar à condição de câncer gástrico (XU et al., 2017). O nitrito neste caso, frequentemente é advindo de substâncias que o possuem em sua composição, empregadas durante a produção de produtos cárneos, geralmente utilizadas para evitar o crescimento de
bactérias patogênicas e putrefativas como o Clostridium botulinum. Além disso, este íon contribui para a conservação e potencialização de alguns aspectos físicos deste tipo de produto, como por exemplo, manter a coloração avermelhada e preservar o sabor (MEY et al., 2014; ZENG et al., 2019). A inibição do crescimento deste tipo de microrganismo utilizando compostos de nitrito ocorre devido a capacidade deste em reagir e oxidar as estruturas celulares em esporos e células vegetativas (CAMMACK et al., 1999).
2NO2-(aq) + 2H3O+ (aq) ⇌ 2HNO2(aq) + H2O(l) (Equação 3)
2HNO2(aq) ⇌ N2O3(aq) + H2O(l) (Equação 4)
Verifica-se que, uma vez formado, o anidrido nitroso reage com a amina secundária através do par de elétrons livres do nitrogênio, formando a N-nitrosamina correspondente como observado na equação 5. O mecanismo de formação de N-nitrosaminas é complexo (JI et al., 2019) e diversas variáveis o afetam, como pH, concentração e o pKa da amina. De forma geral, o pH ótimo da reação apresenta-se entre 2,5 e 3,5, uma vez que a formação do anidrido nitroso é favorecida em pH ácido e da amina livre em pH básico, além disso, a velocidade de formação de N-nitrosaminas é inversamente proporcional à basicidade da amina (ANDRADE, 2004).
N2O3(aq) + R2NH(aq) ⇌ R2NON=O(aq) + HNO2(l) (Equação 5)
A conservação da coloração avermelhada dos produtos cárneos frente a utilização de nitrito se dá através da reação de nitrosilação do ferro, que ocorre entre o nitrito e o grupo heme da mioglobina, resultando assim na nitroso-mioglobina, cuja fração proteica sofre desnaturação pelo calor durante a etapa de processamento térmico (ZENG et al., 2019).
Um outro agravante sobre a toxicidade do nitrito é sua capacidade de formar metahemoglobina (metHb), quando em alta concentração na corrente sanguínea. A hemoglobina é uma molécula que tem como função transportar oxigênio via corrente sanguínea para os tecidos. Em sua molécula possui quatro átomos de ferro no estado de oxidação 2+, que quando oxidados espontaneamente passam para o estado 3+ formando a chamada metHb, que ocorre naturalmente em seres humanos saudáveis devido ao extresseoxidativo. Posteriormente a metHb é reduzida para hemoglobina novamente através de sistemas enzimáticos, principalmente pela enzima NADH-metahemoglobina-redutase reestabelecendo o equilíbrio. Quando há uma alta concentração de nitrito no sangue, este equilíbrio entre a auto-oxidação e a redução enzimática é perturbado aumentando a formação de metHb em excesso numa taxa de formação maior do que a capacidade enzimática levando a um aumento clinicamente significativo nos níveis de metHb, dificultando assim o transporte de oxigênio. Alguns sintomas típicos causados pela alta produção de metHb são disritmia, acidose metabólica e
convulsões. Observa-se na figura 6 a representação esquemática da oxidação da hemoglobina em metahemoglobina com a simultânea redução do nitrito à nitrosil bem como a atividade enzimática reduzindo a metahemoglobina novamente para hemoglobina (WILLIANS, et al., 1993; LUDLOW, 2019).
Figura 6 - Representação esquemática da oxidação da hemoglobina formando metahemoglobina frente ao NO2
-que sofre redução convertendo-se à NO.
Fonte: Adaptado de UMBREIT, 2007; AINTABLIAN; KABBARA, 2017.
O nitrito assim como o nitrato também possui ocorrência natural em alimentos como alguns vegetais além de ser potencialmente utilizado como aditivo em alimentos industrializados como já mencionado anteriormente. Aos vegetais são atribuídos mais de 80-95% da ingestão alimentar de nitrato que posteriormente pode ser convertido à nitrito. A modernização da agricultura potencializou o uso excessivo de fertilizantes nitrogenados que também são contribuintes para o aumento da concentração de nitrato/nitrito na dieta humana e no meio ambiente tornando-se um importante problema para a saúde pública (BAHADORAN
et al., 2016).
Além da indústria alimentícia e da agricultura, são diversas as áreas com utilização de nitrito, como na fabricação de diazo, em compostos nitrosos, na indústria têxtil, na fotografia e na fabricação de produtos químicos de borracha. Também apresenta-se como agente clínico dilatador, broncodilatador e relaxante intestinal (BRYAN, 2006). A Organização Mundial da
Saúde (OMS) estimou que o nível letal de ingestão de nitrito está na faixa de 8,7 a 28,3 μM (XU et al., 2017).
Devido à natureza de serem eletroativos, é possível quantificar eletroquimicamente nitritos utilizando eletrodos quimicamente modificados (SUMA et al., 2019) que oferecem diversas vantagens na identificação e quantificação deste íon quando comparados à outras técnicas utilizadas para este fim.
3.4 Técnicas eletroquímicas
O monitoramento dos níveis de nitrito é de fundamental importância e são diversos os métodos geralmente utilizados para quantificá-lo, tais como espectrofotometria, cromatografia, eletroforese capilar e métodos eletroluminescentes. Porém, alguns destes métodos exigem uma extensa instrumentação, o custo de análise é alto, não apresentam grande sensibilidade e muitas vezes apresentam alto limite de detecção (SUMA et al., 2019).
Métodos eletroquímicos são um grande atrativo para este tipo de análise visto que apresentam manuseio simples, baixo custo, rápida resposta analítica, sensibilidade superior e baixo limite de detecção. Além disso, técnicas eletroquímicas são consideradas métodos ecológicos uma vez que não se faz necessário nenhuma adição de reagentes químicos, tratamento de amostra (MADHUVILAKKU et al., 2019). Dentre tais métodos, destacam-se os métodos voltamétricos, os quais oferecem resultados de extrema relevância para diversos fins. Neste trabalho, empregaram-se as técnicas de voltametria cíclica e voltametria de pulso diferencial para avaliar a capacidade de identificação do EQM desenvolvido frente ao nitrito.
3.4.1 Voltametria de Varredura Linear (LSV)
A voltametria de varredura linear (LSV) é o mais simples método voltamétrico, onde o potencial aplicado ao eletrodo varia linearmente com o tempo como observado na figura 7(a) A corrente neste tipo de técnica, é lida de forma direta em função do potencial aplicado (figura 7(b)), assim, a corrente total lida possui contribuições tanto da corrente faradaica quanto da corrente capacitiva, o que limita a aplicação da LSV para análises quantitativas (PACHECO et
Figura 7 - (a) Varredura de potencial linear (variação do potencial com o tempo). (b) Variação da corrente com
o potencial.
Fonte: Adaptado de BARD; FAULKNER, 2001; PACHECO, 2013.
3.4.2 Voltametria cíclica (CV)
A voltametria cíclica (CV) é uma técnica amplamente aplicada na eletroanalítica, principalmente em análises qualitativas. Possui ampla aplicabilidade no estudo da termodinâmica de processos de redução e oxidação de espécies moleculares e destacadamente empregadas também no acompanhamento de reações químicas iniciadas por transferência eletrônica, detecção de espécies intermediárias em reações e na observação de reações que envolvem a formação de produtos no eletrodo (ARAÚJO, 2017; SKOOG et al, 2006).
Como observado na figura 8(a), a função de onda na CV é triangular, de forma que o potencial varia linearmente no intervalo entre o valor máximo (Ef) e o valor mínimo (Ei), esse
processo então repete-se várias vezes enquanto a corrente é registrada em função do potencial (SKOOG et al, 2006) a uma velocidade de varredura constante (v) (FONSECA et al., 2014).
Em uma análise de voltametria cíclica, é possível realizar o varrimento do potencial no sentido de redução e posteriormente no sentido de oxidação das espécies eletroativas, de maneira a fechar o ciclo no qual pode-se visualizar o par de picos redox da espécie. Assim, ao iniciar a análise, variando o potencial para regiões mais positivas observa-se a ocorrência da oxidação do composto em solução, gerando um pico de corrente proporcional à concentração deste composto. Quando for atingido um potencial no qual não ocorre mais nenhuma reação de oxidação, o potencial é varrido no sentido inverso possibilitando a visualização da ocorrência da redução do composto em solução, onde um pico de corrente também proporcional à
concentração deste é gerado até atingir o valor inicial de maneira a fechar o ciclo de varredura onde o perfil típico do voltamograma pode ser observado na figura 8(b).
Esse tipo de perfil voltamétrico descreve o comportamento de uma reação reversível, onde os produtos que foram formados no sentido direto ainda permaneceram próximos à superfície do eletrodo, sofrendo redução, gerando assim um pico simétrico ao pico de oxidação. As características do voltamograma gerado dependem do tipo de mecanismo redox que a espécie eletroativa sofre na superfície do eletrodo, podendo a CV ser empregada como uma técnica de destaque para estudos mecanísticos e de formação de complexos (PACHECO et al., 2013).
Figura 8– (a) Varredura de potencial cíclico (variação do potencial com o tempo). (b) Voltamograma cíclico de
uma reação genérica redox.
Fonte: Adaptado de BARD; FAULKNER, 2001.
Destacam-se assim, parâmetros importantes em um voltamograma cíclico como o potencial de pico anódico (Epa) relacionado ao processo de oxidação, potencial de pico catódico
(Epc) relacionado ao processo de redução e a corrente de pico anódica (ipa) e catódica (ipc),
respectivamente (SKOOG et al, 2006). Em uma reação reversível, os picos de corrente anódico e catódico são aproximadamente iguais em valores, mas com sinais contrários.
As reações que acontecem na superfície do eletrodo são determinadas por dois fenômenos principais, a transferência de massa do analito em solução para a superfície do eletrodo e a transferência de carga entre a espécie eletroativa e o eletrodo (PACHECO et al., 2013). Desta forma, três tipos de processos eletródicos podem ser observados na análise de CV, o processo reversível, irreversível e o processo parcialmente reversível.
Para uma reação reversível, o processo de transferência eletrônica é suficientemente alta de modo a estabelecer um equilíbrio dinâmico na interface eletrodo-solução, neste processo, a difusão (etapa de transferência de massa) é a etapa determinante da cinética do processo global (PACHECO et al., 2013). Para este tipo de processo a corrente do pico (em ampéres é determinada pela equação VI de Randles-Sevcik (SKOOG et al, 2006).
ip = 2,686 · 105n3/2 AcD1/2v1/2 (Equação 6)
Em que, ip é a corrente de pico, A refere-se à área do eletrodo em cm2, D corresponde ao
coeficiente de difusão em cm2 s-1, n é o número de elétrons transferidos, c equivale à concentração em mol cm-3 (a 25 °C) e v corresponde à velocidade de varredura em V s-1. Se forem conhecidas a concentração, a área do eletrodo e a velocidade de varredura podem ser determinados os coeficientes de difusão (PACHECO et al., 2013).
Quando a velocidade de transferência de carga é lenta comparada com a velocidade de varredura (velocidade de transferência de carga menor que 10-5 cm s-1), a velocidade de
transferência eletrônica não é suficiente para manter o equilíbrio das espécies eletroativas na superfície do eletrodo, deste modo, o voltamograma gerado não apresenta um pico de varredura reversa de potencial caracterizando assim um sistema irreversível (ARAÚJO, 2017; PACHECO
et al., 2013). Já para uma reação eletródica quase reversível, a velocidade de transferência de
carga é menor que 10-5 cm s-1 e maior que 10-1 cm s-1, em que a corrente é controlada tanto pela etapa de transferência de carga, quanto pela etapa de transferência de massa (PACHECO et al., 2013).
3.4.3 Voltametria de pulso diferencial (DPV)
A voltametria de pulso diferencial (DPV) é uma técnica quantitativa de pulso onde pulsos de amplitude fixos e sobrepostos a uma rampa de potencial crescente são aplicados ao eletrodo de trabalho, de maneira que duas medidas de corrente são efetuadas alternadamente, uma logo antes da aplicação do pulso (S1) e outra imediatamente após o final do pulso (S2)
como visualizado na representação da figura 9(a) (SKOOG et al, 2006). Assim, a diferença de corrente por pulso Δi é registrada em função da voltagem, a primeira corrente é a contribuição
da corrente capacitiva e a segunda é contribuição da corrente faradaica, desta forma, quando ocorre a subtração das correntes, é diminuída a contribuição da corrente capacitiva minimizando a presença de corrente de fundo consequentemente melhorando a sensibilidade da técnica (PACHECO et al., 2013).
Como resultado, na análise com uma espécie eletroativa, obtêm-se uma curva diferencial de corrente (Δi) versus potencial com um pico como observado na figura 9(b), em que a altura do pico é diretamente proporcional à concentração da espécie eletroativa.
Figura 9–(a) Representação esquemática da aplicação de potencial em função do tempo. (b) Perfil do
voltamograma corrente versus potencial obtido em uma análise de DPV.
Fonte: Adaptado de SKOOG et al, 2006.
3.4.4 Voltametria de onda quadrada (SWV)
A voltametria de onda quadrada (SWV), é uma técnica de pulso que oferece a vantagem de efetuação da análise em grande velocidade e alta sensibilidade, enquanto que na DPV a velocidade varia de 1 a 10 mV s-1, na SWV a velocidade varia de 100 a 1000 mV s-1 diminuindo o tempo de análise de minutos para segundos sem ocasionar em perda de resolução dos picos (PACHECO et al., 2013). Na SWV o sinal de excitação é obtido através da superposição da sequência de pulsos de potenciais na forma de uma onda quadrada simétrica sobre uma rampa de potencial na forma de escada de forma que a largura de cada degrau e o período dos pulsos (τ) são iguais (figura 10(a)) (SKOOG et al, 2006; PACHECO et al., 2013).
Para uma reação de redução, reversível, o tamanho de um pulso é elevado de tal forma que a oxidação do produto formado no pulso direto ocorra durante o pulso inverso, logo, o pulso no sentido direto produz uma corrente catódica i1, enquanto que o pulso no sentido inverso
produz uma corrente anódica i2, desta forma, esta dupla medição da corrente garante uma
minimização da contribuição da corrente capacitiva sobre a corrente total medida (ARAÚJO, 2017; SKOOG et al, 2006).
As medidas das correntes são efetuadas ao final dos pulsos diretos e inversos, e geralmente a diferença dessas correntes Δi é adicionada a um gráfico versus a rampa de
potencial aplicado originando o voltamograma observado na figura 10(b), observa-se ainda que essa diferença é diretamente proporcional à concentração (SKOOG et al, 2006).
Figura 10 - Representação esquemática da SWV. (a) Forma de aplicação do potencial, onde a resposta de
corrente Δi é igual a subtração da corrente no potencial 1 e a corrente no potencial 2. (b) Resposta típica de corrente versus potencial para uma reação reversível, onde a corrente resultante é igual a corrente do sentido
direto menos a corrente do sentido inverso.
Fonte: Adaptado de MIRČESKI; GULABOSKI, 2014; PACHECO et al., 2013.
4 MATERIAL E MÉTODOS
4.1 Reagentes utilizados
Os reagentes e solventes utilizados para a síntese e caracterização do complexo estão descritos na tabela 1, bem como os utilizados para a aplicação deste como modificador de eletrodo. Salvo a quitosana, que passou por um processo de purificação, os demais reagentes não passaram por nenhum tratamento adicional.
Tabela 1 - Reagentes e solventes utilizados nos procedimentos experimentais.
Reagente Fórmula molecular Pureza (%) Fabricante
Acetato de sódio
anidro P.A. CH3COONa 99,0 Anidrol
Acetona P.A. C3H6O 99,5 Vetec Química Fina
Ácido acético P.A.
Glacial CH3COOH 99,7 Vetec Química Fina
Água destilada H2O - -
Álcool etílico
absoluto P.A. CH3CH2OH 99,5 Neon Comercial
Álcool metílico CH3OH 99,8
Dinâmica Química Contemporânea Cloreto de Cobre (II)
P.A. CuCl2.6H2O 99,0 Vetec Química Fina
Éter etílico C4H10O 99,7 Vetec Química Fina
Fosfato de sódio
dibásico P.A. Na2HPO4.7H2O 99,0 Vetec Química Fina Fosfato de sódio
monobásico P.A. NaH2PO4.H2O 98,0 Vetec Química Fina Hidróxido de sódio
P.A. NaOH 98,0 Vetec Química Fina
Nitrito de Sódio P.A. NaNO2 97,0
Dinâmica Química Contemporânea Óleo mineral (petrolato líquido) - 100 Natulab Laboratório Farmacêutico
Orto-Vanilina C8H8O3 99,0 Sigma Aldrich
Quitosana (C6H11O4N)n - Polymar
4.2 Procedimento de purificação da quitosana
4.2.1 Método de purificação da quitosana
A quitosana utilizada neste trabalho foi fornecida pela Polymar, possuindo grau de desacetilação de 75 a 90%. A purificação foi realizada por duas vezes a fim de garantir o máximo de pureza do biopolímero. O procedimento de purificação da quitosana comercial teve como base a metodologia descrita por Campana-Filho e Signini (2011) na qual ocorre a dissolução da quitosana comercial em ácido acético.
À essa solução, adicionou-se acetato de sódio mantendo-a sob agitação constante durante 24 horas. A solução resultante foi filtrada em funil de placa porosa e precipitada com álcool etílico absoluto sob agitação, armazenada, resfriada por 1 hora e filtrada com funil de placa porosa. O precipitado foi lavado três vezes com álcool etílico absoluto e por último, com acetona. O precipitado obtido então foi transferido para um almofariz onde foi macerado com um pistilho na presença de aquecimento até aproximadamente 60°C. Ao final deste processo, tem-se a quitosana purificada na forma de pó a qual foi pesada e armazenada/mantida sob resfriamento. A quitosana purificada apresentou grau de desacetilação de 52,06% com uma massa molar viscosimétrica de 4,1 104 g mol-1 (CAVALCANTE, 2016). O rendimento da purificação da quitosana foi de aproximadamente 75,8%.
4.3 Síntese da base de Schiff e do complexo
4.3.1 Procedimento de síntese da base de Schiff
Uma massa de quitosana purificada em pó foi solubilizada em uma solução de ácido acético e metanol (1:2) sob agitação por 24 horas, mantendo o pH da solução em torno de 4. Posteriormente realizou-se a incorporação do aldeído (orto-vanilina) em metanol, mantendo a solução sob agitação lenta por mais 24 horas e ajustando o pH para 5. Em seguida, o precipitado formado foi filtrado em funil de placa porosa e lavado com água e metanol para retirar o excesso do aldeído e em seguida armazenou-se o precipitado em dessecador (CAVALCANTE, 2016). O rendimento da síntese foi de aproximadamente 69,4%.
A formação do complexo de cobre foi realizada através da suspensão da base de Schiff em metanol sob agitação por 10 horas, com posterior acréscimo de uma solução de cloreto de cobre também em metanol, permanecendo sob agitação por 15 horas. O produto da reação foi então filtrado em funil de placa porosa, lavado com éter e posteriormente acondicionado em dessecador (CAVALCANTE, 2016). O rendimento da síntese do complexo foi de aproximadamente 65,6%.
4.4 Preparo do eletrodo de trabalho quimicamente modificado
4.4.1 Procedimento preparo do eletrodo quimicamente modificado com o complexo
O eletrodo quimicamente modificado foi preparado via formação de compósitos, através da adição da proporção estabelecida (mediante testes) de 25% de complexo, 70 % de pó de grafite e 5 % de aglutinador, em um almofariz onde foram macerados até obtenção de um pó homogêneo. Em seguida, adicionou-se ao material uma alíquota de óleo mineral misturando este, até a obtenção de uma pasta homogênea. A pasta modificada então foi adicionada a um tubo de vidro com extremidades abertas e em seguida foi inserido o fio condutor de cobre de maneira a comprimir a pasta, deixando-a o mais compacta possível como visto na representação da figura 11. Esperou-se em média 24 horas para a secagem do material e a superfície do eletrodo foi polida em uma folha de papel de filtro, realizando movimentos de 8, de forma a obter uma superfície o mais homogênea possível.
Figura 11 - Representação ilustrativa do eletrodo quimicamente modificado com Cu/QP/OV e
Fonte: Autora, 2019.
4.5 Técnicas de caracterização
4.5.1 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho
Os espectros de infravermelho foram obtidos com a amostra sólida na forma de pastilhas de KBr, as amostras foram misturadas ao sal brometo de potássio, maceradas e prensadas para a formação de pastilhas. As amostras foram analisadas por transformada de Fourier em um espectrofotômetro da Shimadzu, modelo FTIR-8400S, série IRAFFINITY-1, versão 1.60, com número de varredura igual a 30 e resolução 4 cm-1, localizado na central analítica do Instituto de Química da UFRN.
4.5.2 Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível
Os resultados de UV-vis foram obtidos no espectrofotômetro de feixe duplo da Shimadzu situado na central analítica do Instituto de Química da UFRN. O modelo do equipamento é UV – 1800, com faixa de comprimento de onda de 190 a 1100 nm. Neste
