Modelagem computacional de eletrodos impressos.

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Físico-Química

Autores

Leite, G.W. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS) ; Miranda, W.N. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS) ; Lopes, M.C. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO-OESTE)

Resumo

No presente trabalho um modelo computacional para estudar o desempenho de eletrodos impressos foi desenvolvido utilizando o software COMSOL Multiphysics. Foram realizadas simulações variando o volume da gota de eletrólito sobre a superfície do eletrodo impresso, calculando a distribuição de corrente e linhas de campo ao longo do eletrodo. Os resultados teóricos indicaram que a resistência não compensada do eletrodo impresso aumenta com a diminuição do tamanho da gota. Estes resultados foram confirmados experimentalmente medindo a resistência não compensada do eletrodo através de espectroscopia de impedância eletroquímica. Simulações variando as dimensões do eletrodo impresso, apontaram que o problema pode ser minimizado, diminuindo o raio do eletrodo de trabalho.

Palavras chaves

eletrodos impressos; elementos finitos; modelagem computacional

Introdução

O desenvolvimento de biossenssores tais como sensores de DNA e imunosenssores tem experimentado um rápido avanço nas últimas décadas (MURPHY, 2006). Nestas aplicações é predominante a utilização de eletrodos impressos (EI) que permitem a análise com volumes reduzidos de solução e são descartáveis. A resposta analítica destes eletrodos é determinada pela configuração geométrica dos mesmos que é significativamente diferente dos arranjos convencionais de eletrodos de disco (RENEDO et al., 2007; DAMIATI et al., 2019). Nos eletrodos impressos têm-se eletrodo de trabalho (ET), auxiliar e de referência (ER) dispostos de forma plana sobre um substrato sobre o qual é depositada uma gota de solução de eletrólito contendo o analito. Esta configuração determina o regime difusional e a distribuição de campo elétrico que por sua vez determinam a constante de tempo do eletrodo e a cinética do processo (BARD, A. J., FAULKNER, R. L., 2001). Portanto, o dimensionamento e aperfeiçoamento destes eletrodos requer a consideração destas particularidades de forma a conhecer o efeito das mesmas sobre o desempenho do eletrodo. Desta forma, no presente trabalho calculou-se a distribuição primária, secundária e terciária de corrente sobre eletrodos impressos a fim de avaliar os efeitos da geometria dos mesmos sobre a resistência não compensada e a constante de tempo do eletrodo. Resultados experimentais com eletrodos impressos fabricados em laboratório e utilizando soluções padrão foram utilizados para comparação.

Material e métodos

Para simulação dos eletrodos impressos utilizou-se o software COMSOL Multiphysics 5.4. A distribuição primária e secundária de corrente sobre os eletrodos impressos foram calculadas resolvendo-se equações de difusão para as espécies eletroativas, acopladas à equações de Laplace/Poisson para o cálculo das distribuições de corrente primária/secundária. As equações são implementadas automaticamente através dos módulos de distribuição de corrente pré-existentes no software. A geometria utilizada consiste de um eletrodo de trabalho circular na posição central e um contra-eletrodo semi- circular em torno do eletrodo de trabalho, e um ponto sobre o plano representando o eletrodo de referência, cujas dimensões reproduzem exatamente o eletrodo real.

Resultado e discussão

A figura 1 ilustra um conjunto de resultados típicos para os quais diferentes volumes da gota depositada sobre o eletrodo impresso foram utilizados. Na figura 1A, observa-se a variação do potencial do eletrodo de referência de acordo com o aumento do volume da gota, verificando-se que quanto menor o volume da gota, maior a variação no potencial do eletrodo de referência e consequentemente maior a resistência não compensada. Na figura 1B, mostra-se a distribuição das linhas de campo elétrico, para 3 volumes distintos, nas quais observa-se que a diminuição do volume da gota comprime as linhas de campo, fazendo com que elas percorram um caminho maior no caso das gotas menores. Em outras palavras, para gotas maiores, as linhas de campo que saem do eletrodo de trabalho atingem o contra-eletrodo em toda a sua superfície, percorrendo um caminho pela parte superior da gota. Para gotas menores, as linhas de campo que saem do eletrodo de trabalho atingem o contra-eletrodo através das bordas. Na figura 2A, os diagramas de Nyquist obtidos experimentalmente para eletrodos impressos com diferentes volumes de gota, confirmam as previsões teóricas, indicando que quanto menor o volume da gota, maior a resistência não compensada. Na figura 2B estão mostradas as variações do potencial do eletrodo de referência para diferentes raios do eletrodo de trabalho (ET) e volume da gota. Observa-se que com a diminuição no raio do eletrodo a variação do potencial do referência foi menor, o que implica na diminuição da resistência não compensada. Obviamente, o eletrodo de trabalho menor resulta em uma corrente total menor (mantida a densidade de corrente constante) e consequentemente, menor queda de potencial no eletrólito.

Simulações variando o volume de solução: (A) Potencial do ER durante voltametrias cíclicas. (B) Distribuição de linhas de campo.


A) Diagrama de Nyquist obtido experimentalmente para diferentes volumes de solução. B) Potencial do ER em simulações variando o raio do ET.

Conclusões

No presente trabalho foi proposto um modelo teórico para estudar a distribuição de corrente e campo elétrico em eletrodos impressos. Resultados teóricos mostraram que o volume da gota de eletrólito depositado sobre o eletrodo impresso altera a distribuição de corrente e campo elétrico através do eletrodo, implicando no aumento da resistência não compensada com a diminuição da gota. Resultados experimentais, obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica, confirmaram as previsões teóricas.

Agradecimentos

Ao Prof. Dr Ernesto Pereira por possibilitar o uso do software COMSOL Multiphysics. Ao Prof. Dr. Ronaldo Censi Farias por fornecer os eletrodos impressos.

Referências

BARD A. J.; FAULKNER, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications, 2nd ed.; Harris, D., Swain, E., Robey, C., Aiello, E., Eds.; John Wiley & Sons: New York, 2001.

DAMIATI, S. et al., IEEE Access, vol. 7, pp. 94048-94058, 2019.

MURPHY, L. Curr. Opin. Chem. Biol. 2006, 10 (2), 177.

RENEDO, O. D.; ALONSO-LOMILLO, M. A.; MARTÍNEZ, M. J. A. Talanta 2007, 73 (2), 202.