SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE UM NOVO COMPÓSITO CERÂMICO ALTAMENTE EFICIENTE COMO MATERIAL CONDUTOR: APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO DE BIOSSENSORES ELETROQUÍMICOS VOLTADOS À DETECÇÃO DE AGROTÓXICOS

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Iniciação Científica

Autores

Vieira Blasques, R. (UFMA) ; Roberto Brasil de Oliveira Marques, P. (UFMA) ; Cesar Mendes Villis, P. (CEUMA) ; Ticona Arenas, L. (UFRGS) ; da Conceição Silva, J. (UFRJ) ; Izadeley Oliveira dos Santos, T. (CEUMA) ; Silva Nunes, G. (UFMA)

Resumo

O presente estudo objetivou desenvolver uma rota de síntese de um novo compósito cerâmico, SiO2/C-grafite/nSm2O3 (área de superfície específica 340 m2 g-1), obtido pelo processo sol-gel. As informações sobre a formação do SiO2/C-grafite/nSm2O3 e seu comportamento foram obtidas utilizando as técnicas disponíveis para tal finalidade como área superficial pela técnica de BET, volume de poros pela técnica BJH, microscopia eletrônica de varredura (MEV/EDS), espectroscopia de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear de 29Si, e voltametria cíclica. O compósito mostrou a capacidade de ser utilizado como substrato base para imobilização de espécies eletroativas o que permite ser aplicado em eletroquímica e eletrocatálise.

Palavras chaves

compósito cerâmico; substrato; eletroquímica

Introdução

Devido aos recentes avanços tecnológicos, novos estudos acerca da síntese de compostos cerâmicos preparados pelo processo sol-gel têm sido o foco de várias pesquisas, levando em conta suas propriedades ácidas de Brønsted, alta área supercifial e alta estabilidade térmica e química, tendo aplicação em áreas como catálise [1], fotocatálise [2], como matriz para adsorção de moléculas ou íons [3] e na frabricação sensores [4,5] e biossensores [6]. Nesse contexto, a síntese de um material em escala nanométrica e o uso em Eletrodos de Carbonos Cerâmicos a base de sílica tem despertado grande interesse nos últimos anos em decorrência as suas propriedades químicas e físicas incomuns. Enquanto materiais nano- estruturados têm atraído muita atenção aos pesquisadores, o potencial desses nano-estruturados ativados por íons Sm3 + (RE) não foi totalmente explorado ainda. As terras-raras são íons dopantes populares, não apenas devido às suas propriedades espectroscópicas, mas também devido à sua potencial aplicação no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos. Óxidos mistos SiO2/MxOy obtidos pela reação de enxerto do metal sobre o substrato SiO2 ou por processo Sol-gel podem possibilitar o uso desses materiais na imobilização de espécies mediadoras de elétrons dispersos por todo volume de matriz, ou até mesmo de materiais biológicos, possibilitando o desenvolvimento de sensores e biossensores eletroquímicos [7]. Diante dos argumentos anteriores, o presente trabalho objetivou realizar uma nova rota de síntese para um novo compósito cerâmico e com isso estudar a imobilização de enzimas acetilcolinestease (AChE), sobre sua matriz Si/Sm/C, a partir de métodos quimiométricos de análise de dados, objetivando o uso do material como plataforma para construção/modificação de biossensores.

Material e métodos

O compósito cerâmico, Si/C/Sm, foi preparado pelo método sol-gel de acordo com o procedimento descrito no fluxograma da Figura 1. Para a caracterização do material foi utilizado Isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio obtidas à temperatura do ponto de ebulição líquido N2, utilizando um equipamento Tristar Kr 3020 Micromeritics. A área de superfície específica foi determinada pela técnica multiponto de Brunauer, Emmett e Teller (BET) [12], e a distribuição do tamanho dos poros foi obtida usando o método de Barret, Joyner e Halenda (BJH) [13]. Para verificar a morfologia do material utilizou-se o microscópio eletrônico de varredura FEI Quanta 400, equipado com sistema de microanálise por espectrometria de raios X (EDS) Bruker X- Flash 4300, com detector silicone drift. Os espectros de absorção na região do infravermelho foram obtidos na forma sólida em pastilhas de KBr, em um Espectrofotômetro Shimadzu IR Prestige-21 com tranformada de Fourier (FT- IR), com 4 cm-1 de resolução e 50 varreduras. A análise termogravimétrica (TGA) foi realizada em aparelho Shimadzu modelo TA50 em atmosfera de argônio desde a temperatura ambiente até 1000°C. O estudo eletroquímico realizado através da técnica de voltametria cíclica (VC). As medidas foram realizadas num Potenciostato/Galvanostato MicroAutolab Tipo III, da marca Methrom. A cela de trabalho foi um béquer de 10 mL. A solução tampão fosfato pH 7,2 foi utilizada como eletrólito. A velocidade de varredura foi de 50 mV s-1. Para a etapa de imobilização da enzima foi realizado um planejamento fatorial 32, no qual foram avaliadas as seguintes variáveis: concentração de glutaraldeído (0,2; 0,6 e 1,0%), tempo de agitação (30; 60 e 120min). A carga enzimática (em unidades) na superfície do material foi fixada em 2U.

Resultado e discussão

De acordo com os resultados apresentados na Figura 2 os materiais Si/Sm/C e Si/C/Sm-QT5% apresentaram isotermas do tipo I (Fig.2a), típicas de um material microporoso, que tem como característica marcante o formato côncavo sobre o eixo P/P0 [10]. A Tabela 1 (Fig. 2b) demonstra os resultados de área superficial e volume de poros das amostras. É possível observar que os materiais apresentam o mesmo perfil microporoso com similar área especifica, pela distribuição de tamanho de poros BJH [11], com poros menores que 4 nm. O espectro de IV da matriz Si/Sm/C (Fig. 2c) apresentou uma banda de absorção em 952 cm-1 para SiO2/nSm2O3, devido à formação da ligação Si-O-Sm na interface das partículas de SiO2/nSm2O3. Uma banda observada em 2882 cm- 1, relacionada ao estiramento C-H de carbono tetraédrico, é notada, confirmando o ancoramento do carbono no compósito cerâmico Si/Sm/C. As imagens de MEV/EDS (Fig.2d) demonstram a presença de Sm, Si e C; o mapeamento destes mostra que os elementos estão uniformemente distribuídos ao longo da matriz, não havendo formação de domínios micrométricos de sílica ou Sm. O espectro de RMN 29Si para Si/Sm/C apresenta um pico T2 em -67,2 ppm, confirmando a existência de átomos de carbono ligados ao silício, ou seja, CSi(OH)(OSi)2. O difratograma demonstra picos alargados observados entre 44° e 80° (2θ), indicando a presença de óxido de samário. Na voltametria cíclica, o material sintetizado (b) apresenta uma corrente anódica comparado com o eletrodo de pasta de carbono (a), sugerindo a presença de nSm2O3 (Fig.2e). As analises estatísticas demonstraram que as melhores condições de imobilização foram definidas como: tempo de 30 min; carga da AChE de 2U e teor de glutaraldeído de 0,6% (m/v), indicando que o processo de imobilização foi bem-sucedido.

Procedimento de preparo do material compósito: Etapas de preparo (a) e Etapas representativas de formação do compósito (b).


(a)Isotermas de adsorção e dessorção, (b) área superficial e volume de poros, (c) Espectro de Infravermelho, (d) MEV/EDS e (e) Voltamograma cíclico

Conclusões

A vantagem do presente material para ser utilizado como substrato base para construção de eletrodos está na sua concepção. Os três componentes do material são homogeneamente dispersos, sem interface definida entre as partículas. A resistência elétrica do material cerâmico é pequena e possui uma grande área superficial, o que aumenta bastante a sua sensibilidade e torna a sua utilização simplificada na imobilização de enzimas. A janela de potencial permite que o material seja usado para fabricação de eletrodo entre -0,8 a 0,8 V.

Agradecimentos

Ao Centro de Tecnologia Mineral – CETEM/UFRJ, A Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, A Central Analítica da UFMA, Ao NARP/UFMA, Ao CEUMA e a A FAPEMA

Referências

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[13] Barret E.P., Jovner L.G. & Halenda, J. Am. Chem. Soc. 73, (1951)