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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
INSTITUTO DE FÍSICA DE SÃO CARLOS
INSTITUTO DE QUÍMICA DE SÃO CARLOS
CARLOS EDUARDO BORATO
Desenvolvimento de sensores poliméricos para
detecção de metais pesados e avaliação da
qualidade da água
São Carlos
2007
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CARLOS EDUARDO BORATO
Desenvolvimento de sensores poliméricos para
detecção de metais pesados e avaliação da
qualidade da água
Tese apresentada ao Programa de Pós
-
Graduação em
Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de
São Paulo para obtenção do título de Doutor em
Ciência e Engenharia de Materiais.
Área de Concentração: Desenvolvimento,
Caracterização e Aplicação de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo Novais de Oliveira Jr.
São Carlos
2007
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AUTORIZO REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Borato, Carlos Eduardo.
Desenvolvimento de sensores poliméricos para detecção de metais pesados
e avaliação da qualidade da água / Carlos Eduardo Borato; orientador Osvaldo
Novais de Oliveira Jr. --São Carlos, 2007.
174 f
Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Interunidades Ciência e
Engenharia de Materiais – Área de Concentração: Desenvolvimento,
Caracterização e Aplicação de Materiais) - Escola de Engenharia de São Carlos,
Instituto de Física de São Carlos, Instituto de Química de São Carlos da
Universidade de São Paulo.
1. Língua eletrônica. 2. Eletrodos de cromo. 3. Filmes finos.
4. nanopartículas de quitosana. 5. impedância. I. Título.
i
AGRADECIMENTOS
À Deus.
Ao Prof. Dr. Osvaldo Novais de Oliveira Jr. pela valiosa orientação e por nunca ter
deixado de acreditar em mim. Sua amizade e paciência foram de grande valia.
Ao Prof. Dr. Luiz Henrique Capparelli Mattoso pela co-orientação, amizade e por ter
me dado a oportunidade de começar na iniciação científica em 1995.
Ao Renê, Ferrazine , Gilmar e Wilson pela inestimável colaboração no trabalho.
À Embrapa Instrumentação Agropecuária pela disponibilização completa de seus
laboratórios, equipamentos, pessoal e materiais necessários ao trabalho.
Ao Fábio de Lima Leite pela constante colaboração no trabalho e pelo apoio e
amizade nas fases ruins.
À Rejane Celi Goy pelo trabalho em conjunto, por ter me dado força e emprestado
seus ouvidos às minhas lamentações.
À toda a minha família que sempre torceu por mim.
À todos os amigos que fiz na Embrapa Instrumentação Agropecuária.
Aos meus velhos e novos amigos que de alguma maneira fizeram parte de tudo
isso.
i
AGRADECIMENTOS
À Deus.
Ao Prof. Dr. Osvaldo Novais de Oliveira Jr. pela valiosa orientação e por nunca ter
deixado de acreditar em mim. Sua amizade e paciência foram de grande valia.
Ao Prof. Dr. Luiz Henrique Capparelli Mattoso pela co-orientação, amizade e por ter
me dado a oportunidade de começar na iniciação científica em 1995.
Ao Renê, Ferrazine , Gilmar e Wilson pela inestimável colaboração no trabalho.
À Embrapa Instrumentação Agropecuária pela disponibilização completa de seus
laboratórios, equipamentos, pessoal e materiais necessários ao trabalho.
Ao Fábio de Lima Leite pela constante colaboração no trabalho e pelo apoio e
amizade nas fases ruins.
À Rejane Celi Goy pelo trabalho em conjunto, por ter me dado força e emprestado
seus ouvidos às minhas lamentações.
À toda a minha família que sempre torceu por mim.
À todos os amigos que fiz na Embrapa Instrumentação Agropecuária.
Aos meus velhos e novos amigos que de alguma maneira fizeram parte de tudo
isso.
ii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
RESUMO
ABSTRACT
I – INTRODUÇÃO.......................................................................................................1
II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................................4
2.1 – Polímeros condutores................................................................................4
2.2 – Polianilinas.................................................................................................8
2.2.1 – Condutividade elétrica..................................................................9
2.2.2 – Condutividade elétrica na polianilina..........................................10
2.2.3 – Dopagem....................................................................................16
2.3 – Polímeros naturais...................................................................................17
2.3.1 – Quitina........................................................................................17
2.3.2 – Quitosana...................................................................................19
2.4 – Compreensão e desenvolvimento de um sensor gustativo.....................22
2.5 – Materiais para línguas eletrônicas...........................................................26
2.6 – Sensor gustativo aplicado ao meio ambiente..........................................28
III – TÉCNICA DE PROCESSAMENTO DE DADOS – PCA....................................31
3.1 – Descrição do método estatístico utilizado...............................................31
IV – MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................46
4.1 – Materiais..................................................................................................46
4.1.1 – Fabricação de novos tipos de sensores.....................................46
4.1.2 – Substâncias utilizadas na preparação dos paladares................47
iii
4.1.3 – Vinhos utilizados no estudo........................................................48
4.1.4 – Soluções de cobre......................................................................48
4.1.5 – Amostras de água coletadas do meio ambiente........................48
4.1.6 – Solução polimérica.....................................................................49
4.1.7 – Solução de quitosana.................................................................49
4.1.8 – Preparação de nanopartículas de quitosana..............................49
4.1.9 – Solução de H
2
SO
4
e H
2
O
2
..........................................................50
4.1.10 – Solução Aquosa de NH
4
OH e H
2
O
2
..........................................50
4.2 – Métodos...................................................................................................50
4.2.1 – Estudo da interação entre soluções de POEA, Nanopartículas de
Quitosana e Quitosana por meio de UV-
Vis...........................................................................................................50
4.2.2 – Filmes de POEA, Nanopartículas e Quitosana..........................51
4.2.3 – Espectroscopia Ultra-Violeta Visível (UV-Vis.)...........................53
4.2.4 – Microscopia de Força Atômica...................................................55
4.2.5 – Tamanho das Nanopartículas de Quitosana..............................57
4.2.6 – Medidas elétricas........................................................................58
4.2.7 – Coleta de dados da Língua Eletrônica.......................................58
4.2.7.1 – Estudo das soluções dos paladares padrões.............58
4.2.7.2 – Estudo das soluções de CuSO
4
5H
2
O.......................59
4.2.7.3 – Procedimento para o estudo dos vinhos....................60
4.2.7.4 – Amostras de águas do meio ambiente.......................61
4.2.8 – Montagem do arranjo sensorial..................................................61
4.2.9 – Análise dos dados......................................................................62
V – LÍNGUA ELETRÔNICA COM ELETRODOS SEM FILME.................................63
5.1 – Eletrodos sem filme – Nova tecnologia para sensores............................63
5.1.1 – Testes iniciais com os novos sensores de face simples.............63
5.1.2 – Escolha do intervalo de freqüência.............................................71
5.1.3 – Paladares Básicos......................................................................72
5.1.3.1 – Paladar doce (Sacarose)............................................72
5.1.3.2 – Paladar salgado (NaCl e KCl)....................................77
5.1.3.3 – Paladar azedo (HCl)...................................................83
5.1.4 – Diferenciando os paladares........................................................89
5.1.4.1 – Reprodutibilidade dos resultados...............................95
iv
5.1.5 – Limite de detecção do arranjo sensorial.....................................99
5.2 – Estudo de líquidos complexos (Vinhos).................................................107
5.3 – Análise de águas....................................................................................112
5.4 - Conclusões..............................................................................................115
VI – PROCESSO DE OTIMIZAÇÃO DE UM ARRANJO COM FILMES
POLIMÉRICOS.........................................................................................118
6.1 – Eletrodos recobertos com filmes poliméricos.........................................118
6.1.1 – Estudo da interação entre soluções de POEA, Nanopartículas de
Quitosana e Quitosana por meio de UV-Vis.........................................118
6.1.2 – Diâmetro médio das nanopartículas de quitosana....................122
6.1.3 – Construção dos filmes finos LBL...............................................122
6.1.3.1 – Determinação dos tempos mínimos de imersão do
substrato para a deposição da 1º camada de quitosana e
nanopartículas de quitosana...................................................122
6.1.3.2 – Deposição dos filmes LBL........................................128
6.1.3.3 – Análise de microscopia de força atômica
(AFM)......................................................................................141
6.2 – Interação das soluções poliméricas com CuSO
4
•5H
2
O..........................147
6.3 – Interação dos filmes LBL com CuSO
4
•5H
2
O..........................................151
6.4 – Aplicação dos filmes LBL nos eletrodos de cromo para detecção de
cobre.....................................................................................................153
6.4.1 – Estudo de detecção em altas concentrações...........................153
6.4.2 – Estudo de detecção em baixas concentrações.........................159
6.5 – Conclusões.............................................................................................162
VII – CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS..................................................164
VIII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................167
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura química geral da polianilina........................................................9
Figura 2 – Esquema comparando a condutividade entre os polímeros condutores,
materiais isolantes, semicondutores e metais........................................10
Figura 3 – Modelo da estrutura de bandas de uma cadeia polimérica no caso de (a)
um processo de ionização vertical, (b) formação de um polaron e (c)
formação de um bipolaron......................................................................14
Figura 4 – Rede de condutividade em um polímero condutor.
A indica o transporte
intramolecular,
B o transporte intercadeia e C o transporte
interpartículas..........................................................................................15
Figura 5 – Processo de dopagem da polianilina no estado esmeraldina.................16
Figura 6 – Representação esquemática da estrutura primária idealizada de quitina,
sendo n = grau de polimerização............................................................17
Figura 7 – Estruturas polimórficas de quitina............................................................18
Figura 8 – Representação esquemática da estrutura primária idealizada de
quitosana, sendo n = grau de polimerização..........................................19
Figura 9 – Representação da grandeza de interesse a ser avaliada.......................32
Figura 10 – Esquema ilustrando a direção para uma possível comparação entre as
amostras..................................................................................................33
Figura 11 – Representação das grandezas de interesse a serem avaliadas...........33
Figura 12 – Esquema ilustrando uma comparação bidimensional entre as
amostras..................................................................................................34
Figura 13 – Representação das três grandezas de interesse a serem avaliadas....35
Figura 14 – Esquema ilustrando uma comparação tridimensional entre as
amostras..................................................................................................36
Figura 15 – Gráfico sem tratamento estatístico dos dados experimentais, mostrando
a medida da cauda em função do Comprimento total............................43
Figura 16 – Representação gráfica do resultado da Análise de Componentes
Principais sobre os dados experimentais................................................44
Figura 17 – Esquema do sistema de medidas..........................................................47
Figura 18 – Ilustração do princípio de funcionamento do MFA................................56
Figura 19 – Curvas de capacitância versus freqüência para cada unidade sensorial.
As amostras foram soluções de NaCl (a) 5x10
-3
molL
-1
e (b) 50x10
-3
mol
L
-1
............................................................................................................64
vi
Figura 20 – Capacitância de cada unidade sensorial medida na freqüência de
200Hz e 50 mV, para soluções com 5x10
-3
molL
-1
de diferentes
paladares a 25ºC. (a) NaCl, KCl, HCl e sacarose, (b) NaCl, KCl e HCl e
(c) sacarose.............................................................................................66
Figura 21 – Valores de capacitância medidos na freqüência de 200Hz e 50 mV em
cada unidade sensorial para diferentes concentrações molares (50x10
-
3
molL
-1
, 20x10
-3
molL
-1
, 10x10
-3
molL
-1
e 5x10
-3
mol L
-1
) de NaCl, KCl, HCl
e sacarose. Temperatura das amostras para coleta dos dados 25ºC....69
Figura 22 – Capacitância a 200Hz e 50mV para os paladares salgado (NaCl, KCl),
azedo (HCl) e doce (sacarose) na concentração de 5x10
-3
molL
-1
..........71
Figura 23 – Capacitância versus freqüência. Região onde foram escolhidos os
valores de freqüência utilizados no estudo.............................................72
Figura 24 – Análise de componentes principais sobre os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5 e 1x10
-3
molL
-1
com amplitude de voltagem de 50mV nas freqüências de 200Hz e
1kHz. Temperatura das soluções 25ºC...................................................74
Figura 25 – Análise de componentes principais para as concentrações de 1x10
-6
mol L
-1
, 1x10
-9
mol L
-1
, 1x10
-12
mol L
-1
de sacarose e água destilada.
Tensão 50mV. Temperatura das soluções 25ºC....................................76
Figura 26 – Análise de componentes principais sobre os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5, 1x10
-3
molL
-
1
, 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
de NaCl e tampão nas
para uma tensão de 50mV freqüências de 200Hz e 1KHz. Temperatura
das soluções 25ºC..................................................................................78
Figura 27 – Análise de componentes principais para os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de NaCl a uma tensão de 50mV nas freqüências de 200Hz e
1KHz.Temperatura das soluções 5ºC.....................................................81
Figura 28 – Análise de componentes principais para os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
de KCl a uma tensão 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz.
Temperatura das soluções 25ºC.............................................................83
Figura 29 – Análise de componentes principais para os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5 e 1x10
-3
molL
-1
e 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de HCl a uma tensão de 50mV
nas freqüências de 200Hz e 1kHz. Temperatura das soluções 25ºC.....85
vii
Figura 30 – Análise de componentes principais para os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de HCl a uma tensão de 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz.
Temperatura das soluções 25ºC.............................................................87
Figura 31 – Análise de componentes principais para os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
, 1x10
-12
molL
-1
de HCl e água destilada a 50mV nas freqüências de 200Hz e
800Hz. Temperatura das soluções 25ºC................................................88
Figura 32 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre os
paladares azedo (HCl), salgado (NaCl e KCl) e doce (sacarose) na
concentração de 50x10
-3
molL
-1
a 50mV na freqüência de 200Hz. A PCA
também é apresentada utilizando-se apenas a primeira componente
principal...................................................................................................90
Figura 33 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre os
paladares azedo (HCl), salgado (NaCl e KCl) e doce (sacarose) na
concentração de 5x10
-3
molL
-1
a 50mV para a freqüência de 200Hz. A
Figura também apresenta uma visualização utilizando-se apenas a
primeira componente principal. Temperatura das soluções 25ºC...........92
Figura 34 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre o
HCl e o KCl na concentração de 5x10
-3
molL
-1
a 200Hz.........................93
Figura 35 – Análises de componentes principais a 50mV em 1KHz para HCl, KCl,
NaCl e sacarose nas concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
........94
Figura 36 – Avaliação da reprodução dos valores obtidos a uma tensão de 50mV
em 200Hz para as concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
de NaCl
estudadas em diferentes dias designados por experimento 1 (exp 1),
experimento 2 (exp 2) e experimento 3 (exp 3)......................................96
Figura 37 – Análises de componentes principais a 1KHz para HCl, KCl, sacarose
nas concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
e três experimentos de
NaCl na concentração de 5x10
-3
mol L
-1
.................................................98
Figura 38 – Comparação entre contaminações verdadeiras (adições de volumes
aquosos de CuSO
4
5H
2
O) e contaminações falsas (adições de volumes
de água) para verificação do limite de detecção...................................100
Figura 39 – Análise de componentes principais para as contaminações de cobre
feitas em água ultrapura.......................................................................105
viii
Figura 40 – (a) Típica curva de força obtida por um AFM para superfície de mica
imersa na água. (b) Esquema mostrando o envelhecimento da água
para diferentes períodos de tempo (t’ < t’’ < t’’’)....................................106
Figura 41 – Análise de componentes principais para os vinhos Cabernet Sauvignon
Miolo 2000 (CabSauv), Merlot Miolo 2000, Chardonnay Salton 1999
(Chard) e Riesling Salton 1998 (Ries). Dados coletados a 1KHz e
temperatura da amostra 18ºC...............................................................109
Figura 42 – Análise de componentes principais para os vinhos (a) Cabernet
Sauvignon Miolo 2000, Merlot Miolo 2000, garrafas 1, 2 e 3 e (b)
Chardonnay Salton 1999 e Riesling Salton 1998, garrafas 1, 2, e 3....111
Figura 43 – Análise de componentes principais dos dados para os vinhos Cabernet
Sauvignon Miolo 2000, Merlot Miolo 2000, Cabernet Sauvignon Embrapa
1999, Cabernet Franc Embrapa 1999, Chardonnay Embrapa 1999,
Chardonnay Salton 1999 e Riesling Salton 1998.................................112
Figura 44 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades...........................................................................113
Figura 45 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades...........................................................................114
Figura 46 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades...........................................................................115
Figura 47 – Estudo de UV-Vis para as misturas das soluções de POEA e
nanopartículas de quitosana. (a) solução aquosa de POEA no pH 3 e (b)
solução aquosa de POEA no pH 5.......................................................120
Figura 48 – Estudo de UV-Vis para as misturas das soluções de POEA e quitosana
ambas no pH 3......................................................................................121
Figura 49 – Espectros de UV-Vis. para as soluções de POEA dopada no pH 3,
POEA desdopada no pH 9 e da mistura POEA (pH 5) com dispersão de
nanopartículas de quitosana.................................................................122
Figura 50 – (a) Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na
solução de quitosana na concentração de 1,5% em ácido acético 3%
sobre substrato de quartzo; (b) Cinética de deposição. Comprimento de
onda utilizado para coleta dos valores de absorbância
= 300nm......124
Figura 51 – (a) Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na
solução de dispersão de nanopartículas de quitosana na concentração
de 0,2%; (b) Cinética de deposição. Comprimento de onda utilizado para
coleta dos valores de absorbância = 600nm......................................125
ix
Figura 52 – Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na solução
de mistura de POEA (C = 10
-4
molL
-1
, pH 3) e dispersão de
nanopartículas de quitosaba (C = 0,02%, pH 3); (b) Cinética de
deposição..............................................................................................126
Figura 53 – Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na solução
de mistura de POEA (C = 10
-3
molL
-1
, pH 3) e dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,15%, pH 3); (b) Cinética de
deposição. Intervalo de comprimento de onda utilizado para coleta dos
valores de absorbância 680
720nm.............................................127
Figura 54 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução
polimérica POEA C = 10
-3
molL
-1
e pH = 3; (b) correspondente curva de
crescimento em função do número de camadas. O comprimento de onda
para aquisição dos valores de absorbância variou entre 595
660nm...................................................................................................129
Figura 55 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução
polimérica POEA C = 10
-3
molL
-1
e pH = 5; (b) correspondente curva de
crescimento em função do número de camadas. O comprimento de onda
para aquisição dos valores de absorbância variou entre 572
623nm...................................................................................................130
Figura 56 – Comparação entre as curvas de crescimento para um filme de POEA
no pH 3 e no pH 5.................................................................................131
Figura 57 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução da
mistura de POEA (C = 10
-4
molL
-1
e pH = 3) com dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,02%, pH 3) ; (b) correspondente
curva de crescimento em função do número de camadas. Comprimento
de onda para aquisição dos valores de absorbância
= 600nm..........133
Figura 58 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 3) alternado com dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,2% e pH 3) ; (b) correspondente
curva de crescimento em função do número de bicamadas.
Comprimento de onda para aquisição dos valores de absorbância
=
594nm...................................................................................................134
x
Figura 59 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 5) alternado com dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,2% e pH 3); (b) correspondente
curva de crescimento em função do número de bicamadas. O intervalo
de comprimento de onda para aquisição dos valores de absorbância
variou entre 545
634nm...............................................................135
Figura 60 – Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução da
mistura de POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH = 3) com quitosana (C = 0,15%,
pH 3) ; (b) correspondente curva de crescimento em função do número
de camadas. Intervalo de comprimento de onda para aquisição dos
valores de absorbância 600
700nm.............................................137
Figura 61 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA pH 3; (b) correspondente curva de crescimento em função do
número de bicamadas. O intervalo de comprimento de onda para
aquisição dos valores de absorbância variou entre 600 680nm..138
Figura 62 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA pH 5; (b) correspondente curva de crescimento em função do
número de bicamadas. O intervalo de comprimento de onda para
aquisição dos valores de absorbância variou entre 580
680nm..139
Figura 63 – Comparação entre as curvas de crescimento dos filmes de POEA nos
pHs 3 e 5...............................................................................................140
Figura 64 – Comparação entre as curvas de crescimento dos filmes de POEA e
filmes alternados de POEA e nanopartículas de quitosana em diferentes
pHs........................................................................................................141
Figura 65 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas de quitosana (C = 0,15%
e pH 3) depositado sobre vidro.............................................................141
Figura 66 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas de dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,2% e pH 3) depositado sobre
vidro.......................................................................................................142
Figura 67 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas POEA C = 10
-3
molL
-1
depositado sobre vidro. (a) pH 3; (b) pH 5............................................142
Figura 68 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas da mistura de soluções de
POEA (C = 10
-4
molL
-1
e pH 3) com dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,02% e pH 3) depositado sobre vidro.........................143
xi
Figura 69 – Imagens de AFM para filme LBL 10 bicamadas de POEA (C = 10
-3
molL
-1
) alternado com dispersão de nanopartículas de quitosana (C =
0,2%) depositado sobre vidro. (a) POEA pH 3 e (b) pH 5....................143
Figura 70 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas da mistura de soluções de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 3) com quitosana (C = 0,15% e pH 3)
depositado sobre vidro..........................................................................144
Figura 71 – Imagens de AFM para filme LBL 10 bicamadas de POEA (C = 10
-3
molL
-1
) alternado com quitosana (C = 0,15%) depositado sobre vidro. (a)
POEA pH 3 e (b) pH 5...........................................................................144
Figura 72 – Espectros de UV-Vis. para investigação da interação entre soluções
poliméricas utilizadas nas construções dos filmes LBL com solução de
CuSO
4
•5H
2
O de concentração 10
-3
molL
-1
(contaminação real) e água
pura (contaminação falsa). (a) contaminação real da solução de POEA
(pH 5); (b) contaminação falsa da solução de POEA (pH 5) (c)
contaminação real da solução da mistura de POEA e quitosana (pH
2,67); (d) contaminação falsa da solução da mistura de POEA e
quitosana (pH 3,07)...............................................................................149
Figura 73 – Espectros de UV-Vis. para investigação da interação entre um filme
LBL misto 10 camadas de POEA pH 3 e quitosana com solução aquosa
de CuSO
4
•5H
2
O. (a) imersão do filme em uma solução de cobre; (b)
imersão do filme em água com pH ajustado.........................................152
Figura 74 – Resposta elétrica das unidades sensoriais para detecção de cobre: (a)
arranjo A sem filme depositado e (b) arranjo A com filmes
depositados...........................................................................................154
Figura 75 – Resposta elétrica das unidades sensoriais para detecção de cobre: (a)
arranjo B sem filme depositado e (b) arranjo B com filmes
depositados...........................................................................................155
Figura 76 – Curvas de PCA para as medidas de detecção de cobre do arranjo A (a)
sem e (b) com filme LBL depositado. As concentrações de cobre estão
diferenciadas pelas cores, enquanto que os símbolos se referem aos
diferentes experimentos realizados......................................................157
Figura 77 – Curvas de PCA para as medidas de detecção de cobre do arranjo B (a)
sem e (b) com filme LBL depositado. As concentrações de cobre estão
diferenciadas pelas cores, enquanto que os símbolos se referem aos
diferentes experimentos realizados......................................................158
xii
Figura 78 – Comparação entre os valores de capacitância elétrica obtidos para
contaminação falsa e verdadeira. (a) Eletrodo de cromo sem filme LBL
depositado; (b) Eletrodo de cromo com filme LBL POEA pH 5 alternado
com quitosana.......................................................................................160
Figura 79 – Comparação entre os valores de capacitância elétrica obtidos para
contaminação com íons de cobre para eletrodo com filme LBL POEA pH
5 alternado com quitosana e eletrodo sem filme..................................160
Figura 80 – Análise de componentes principais para os dados de capacitância
elétrica coletados para as baixas concentrações de cobre para o arranjo
sensorial A com eletrodos dupla face sem filme LBL...........................161
Figura 81 – Análise de componentes principais para os dados de capacitância
elétrica coletados para as baixas concentrações de cobre. Para o arranjo
sensorial A com eletrodos dupla face com filme LBL depositado.........162
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Fórmula estrutural de alguns polímeros conjugados................................6
Tabela 2 – Comprimento total dos peixes coletados................................................32
Tabela 3 – Comprimento total e da cauda dos peixes coletados.............................34
Tabela 4 – Comprimento total, da cauda e da cabeça dos peixes coletados...........35
Tabela 5 – Dados simbólicos para cálculo da Análise de Componentes Principais.37
Tabela 6 – Descrição das soluções estoque de CuSO
4
•5H
2
O, dos volumes
utilizados para as contaminações e concentração de cobre do volume
contaminado...............................................................................................60
Tabela 7 – Descrição dos arranjos sensoriais utilizados na detecção do cobre......62
Tabela 8 – Valores de capacitância obtidos com 5 unidades sensoriais a 200Hz
para uma solução de sacarose de 50x10
-3
mol L
-1
. Temperatura da
solução 25ºC..............................................................................................73
Tabela 9 – Valores de altura média (Z) e rugosidade média para os filmes
obtidos......................................................................................................146
xiv
RESUMO
Línguas eletrônicas constituídas de filmes nanoestruturados depositados sobre
eletrodos metálicos, e empregando a técnica de espectroscopia de impedância
como princípio de detecção, vêm apresentando excelentes resultados para a
diferenciação de substâncias que constituem os paladares básicos e na detecção
de impurezas em amostras líquidas. A principal limitação para o uso comercial é a
necessidade da substituição das unidades sensoriais do arranjo, que necessita de
recalibração. Nesta tese introduzimos um novo arranjo de unidades sensoriais,
constituídos de eletrodos de cromo eletrodepositados, que não necessitam de
filmes finos. Usando arranjos de cinco ou dez unidades sensoriais nominalmente
idênticas, obtivemos uma língua eletrônica capaz de detectar paladares básicos e
íons de cobre em água em concentrações abaixo de 1
μM. As diferenças nas
respostas elétricas dos eletrodos são oriundas das diferenças na sua morfologia. A
alta sensibilidade apresentada foi explorada na análise de vinhos e amostras de
águas coletadas de vários rios e lagos. Similarmente às línguas eletrônicas com
filmes nanoestruturados, o arranjo sensorial de eletrodos de cromo foi capaz de
distinguir vinhos de uma mesma varietal e produtor, mas de diferentes safras, e de
um mesmo produtor e safra, mas de diferentes varietais. Tentamos também
melhorar o desempenho das línguas eletrônicas combinando unidades constituídas
de filmes finos de quitosana e poli(
o-etoxianilina). Apesar do interesse nas
propriedades advindas da interação entre esses materiais, especialmente quando a
quitosana foi utilizada na forma de nanopartículas, o desempenho foi similar ao da
língua eletrônica contendo eletrodos de cromo sem filmes.
xv
ABSTRACT
Electronic tongues based on nanostructured films and employing impedance
spectroscopy as the principle of detection have proven excellent to distinguish
between basic tastes and detect trace amounts of impurities in liquid samples. The
main limitation for a commercial use, though, is the need to replace the sensing
units of the sensor array, which requires recalibration, owing to the relatively poor
stability of the nanostructured films. In this thesis we introduce a new arrangement
for the sensing units, which are produced from electrodeposited chrome electrodes,
with no need to adsorb an organic film. Using an array with 5 or 10 nominally
identical chrome electrodes, we obtained an electronic tongue capable of detecting
basic tastes and copper ions in water down to the 1μM level. The differences in
electrical properties for the electrodes arose from differences in morphology.
Furthermore, this high sensitivity could be exploited in the analysis of wines, and
water samples collected from various rivers and lakes. Similarly to electronic
tongues made with nanostructured films, the sensor array with electrodeposited
chrome electrodes was capable of distinguishing wines from the same grape and
producer, but different vintages, or from the same producer and vintage but different
grapes. We also attempted to optimize the performance of electronic tongues by
combining sensing units made of chitosan and poly(o-ethoxyaniline). In spite of the
interesting properties deriving from the interaction between these components,
especially when chitosan nanoparticles were used, the performance of the sensor
array was similar to that of the electronic tongue obtained with bare chrome
electrodes.
1
I – INTRODUÇÃO
A motivação para o estudo de sensores que detectem a contaminação da
água por metais pesados e monitorem sua qualidade quanto a potabilidade e para o
abastecimento vem do diagnóstico do uso excessivo de agroquímicos na área de
horticultura que, por lixiviação, acabam nos córregos, e do despejo indiscriminado
de resíduos industriais no leito dos rios. Metais tóxicos como chumbo, cádmio,
arsênio, cobre, mercúrio e outros, muitos fazendo parte dos componentes ativos
dos agrotóxicos, causam poluição ambiental e suas concentrações aumentam com
o tempo em função do acúmulo. Se as áreas de agricultura são próximas a centros
urbanos e áreas industriais, os produtos agrícolas são afetados pela água utilizada
na irrigação ou na limpeza das plantas. A deposição dos metais pesados nos
sedimentos dos rios deveria ser observada cuidadosamente num programa de
monitoramento, de forma a avaliar sua dispersão, disponibilidade e absorção pela
biota.
Aplicando um processo de monitoramento para águas de abastecimento, um
grande conjunto de dados pode ser coletado, fornecendo informações ricas sobre o
comportamento das águas para abastecimento e água potável. A classificação,
modelamento e interpretação dos dados coletados poderia ser um passo importante
para um completo acordo de qualidade da água dirigida ao consumo humano.
Através do uso de sensores e estatística multivariada seria possível desvendar
informações ocultas contidas no conjunto de dados sobre possíveis influências do
meio ambiente (antropogênicas ou ocorrências naturais) na qualidade da água [1].
Uma aproximação quimiométrica muito utilizada é a análise de componentes
principais (PCA). Esta técnica é um típico método não supervisionado cujo objetivo
é encontrar a relação entre as observações, como também estimar a correlação
das variáveis. Dessa maneira, várias fontes de água poderiam ser cuidadosamente
comparadas, emissores de problemas locais poderiam ser identificados e
2
estimados e explicações para algumas situações repentinas seriam possíveis. Este
foi o caso do Rio Ipojuca no estado de Pernambuco [2], onde foi possível concluir,
através do uso da PCA, que os maiores índices de coliformes fecais estavam
associados a temperaturas mais elevadas, ou seja, ao verão e que os menores
índices ocorreram no inverno.
Em muitas áreas de tecnologia de medidas os métodos de coleta de
informações vêm sendo mudados ao longo dos anos. Neste contexto, há
necessidade de se medir atributos gerais como qualidade, eficiência, etc. Muitos
processos são complicados e diferenças físicas e parâmetros químicos necessitam
ser medidos em tempo real para promover segurança e eficiência do processo. O
conceito de línguas e narizes eletrônicos tem atraído interesse em diferentes
aplicações, como no monitoramento ambiental. O arranjo sensorial produz sinais
que não são necessariamente específicos a qualquer espécie do meio ambiente, da
água potável, etc., mas um sinal padrão é gerado, podendo ser relacionado a certas
características ou qualidades da amostra. Os narizes e línguas eletrônicas são
normalmente utilizados para fornecer informações qualitativas sobre a amostra
analisada e somente em alguns casos especiais prever a concentração de espécies
individuais [3]. Um sistema eletrônico de baixo custo e fácil manuseio que pode
classificar a água em potável ou não é de vital importância em uma estação de
tratamento.
Nesta tese, foram produzidos arranjos sensoriais, conhecidos como línguas
eletrônicas, para detectar sabores básicos que caracterizam o paladar humano, e
distinguir líquidos complexos com propriedades similares, como os vinhos. Duas
abordagens foram seguidas: na primeira, é introduzida a inovação de fabricar
arranjos sensoriais sem recobrimento dos eletrodos metálicos, buscando obter
dispositivos robustos e de baixo custo. Na outra abordagem, empregamos
polianilinas e quitosanas para tentar otimizar a detecção de íons de metais
3
pesados. A Tese está organizada da seguinte forma: No Capítulo II é apresentada a
revisão bibliográfica, com ênfase nos materiais empregados nos sensores, e na
metodologia de línguas eletrônicas. A técnica estatística usada na análise dos
resultados de línguas eletrônicas, a análise de componentes principais (PCA) é
descrita em detalhe no Capítulo III, seguido dos materiais e métodos no Capítulo IV.
São dois os capítulos de resultados. No Capítulo V são apresentados resultados
dos arranjos sensoriais sem filmes recobrindo os eletrodos metálicos, ao passo que
os resultados com línguas eletrônicas produzidas com polianilina e quitosana
aparecem no Capítulo VI. As Conclusões no Capítulo VII encerram a tese.
Objetivo Geral da Tese
Obter línguas eletrônicas robustas e de baixo custo para detecção de
poluentes ambientais e investigação de águas de rios e lagos.
Objetivos Específicos da Tese
1) Implementar um sistema de baixo custo, com um arranjo sensorial feito
apenas de eletrodos eletrodepositados de cromo.
2) Testar esse arranjo na detecção de sabores básicos, para identificar
contaminação de águas com metais pesados, e distinguir líquidos
complexos – como vinhos – similares.
3) Usar polímeros condutores e quitosanas para produção de sensores na
tentativa de otimizar o desempenho na detecção de metais pesados.
4) Verificar a possibilidade de emprego de uma língua eletrônica na distinção
de águas coletadas de rios e lagos.
4
II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica sobre alguns
materiais empregados nos sensores, além de uma discussão da importância de
arranjos sensoriais, como a língua eletrônica, para o monitoramento de qualidade
de águas. Aparece também uma revisão sobre trabalhos recentes em línguas
eletrônicas.
2.1 – Polímeros condutores
As pesquisas em polímeros condutores devem propiciar o desenvolvimento
de aplicações tecnológicas, como em baterias e capacitores, blindagem
eletromagnética e dissipação de carga eletrostática, em membranas separadoras
de gás, músculos artificiais, dispositivos eletroluminescentes, janelas eletrocrômicas
e sensores [4,5]. Embora algumas dessas aplicações estejam em uma fase de
desenvolvimento preliminar, em futuro não muito longínquo esperam-se dispositivos
que explorem as propriedades especiais de polímeros condutores. Sensores de
aroma e gustativos podem ser usados na detecção de gases, monitoramento da
qualidade da água e de bebidas [6], e detecção de íons metálicos em meios
líquidos naturais e artificiais [7].
Os sensores poliméricos apresentam vantagens sobre sensores baseados
em óxidos de semicondutores. Por exemplo, há grande variedade de polímeros
disponíveis como polipirróis, politiofenos e polianilinas que podem ser utilizados a
temperatura ambiente em sistemas sensores, diferentemente dos materiais
inorgânicos como os óxidos de semicondutores que precisam ser preparados em
temperaturas elevadas. Apesar de esses materiais exibirem grande sensibilidade à
variação das condições ambientais, uma desvantagem no uso de um único sensor
polimérico é a falta de especificidade de sua resposta quando exposto a gases,
5
vapores e diferentes meios líquidos [5]. No entanto, essa característica negativa
pode ser transformada em vantagem se os filmes poliméricos são utilizados
conjuntamente em um arranjo de sensores. Nesse tipo de dispositivo, um certo
número de sensores é conectado a um sistema de reconhecimento de padrões que
pode analisar e interpretar os dados recebidos de várias unidades sensoriais. Este
é o principio de funcionamento das línguas eletrônicas [5].
O primeiro polímero condutor foi obtido em 1977 [8], pela exposição do
poliacetileno na forma isolante (condutividade,
= 10
-5
S/cm), a agentes dopantes,
oxidantes ou redutores, tornando-o condutor elétrico (
= 10
2
S/cm). O polímero
neutro isolante é transformado num complexo iônico, que consiste de um cátion (ou
ânion) polimérico e um contra-íon, que é a forma reduzida do agente oxidante (ou a
forma oxidada do agente redutor).
Um critério importante na seleção de polímeros potencialmente condutores é
a facilidade com que o sistema pode ser oxidado ou reduzido. Isto leva à escolha
de polímeros com insaturações conjugadas, que possuam baixo potencial de
oxidação. Os elétrons de caráter
podem ser facilmente removidos ou adicionados,
para formar um íon polimérico, sem a destruição das ligações necessárias para a
estabilidade da macromolécula [4]. Este princípio básico tem sido aplicado a um
número crescente de polímeros condutores, tais como politiofenos, polipirróis,
polifenilenos e polianilinas. O poliacetileno é ainda o polímero com maior valor de
condutividade igualando-se ao cobre (10
5
S/cm). No entanto, pela instabilidade
térmica e ambiental, improcessabilidade (insolubilidade e infusibilidade) do mesmo,
outros polímeros condutores têm sido extensivamente investigados para superar
estas dificuldades [4]. A Tabela 1 resume a fórmula estrutural de alguns polímeros
com propriedades condutoras condução similares à de semicondutores e metais [6].
Provavelmente, a polianilina é o polímero orgânico sintético mais antigo.
Este polímero faz parte de uma classe de materiais obtidos por uma polimerização
6
oxidativa química ou eletroquímica da anilina. A polianilina foi preparada pela
primeira vez em 1862 [9], sendo descrita em 1910 [9] a sua existência em quatro
estados de oxidação distintos. O estudo de um destes estados, chamado de
esmeraldina, foi importante por envolver o efeito de ácidos sobre a condutividade
do material.
Tabela 1 – Fórmula estrutural de alguns polímeros conjugados.
POLíMERO CONDUTOR FÓRMULA ESTRUTURAL
POLIACETILENO
POLIPIRROL
POLITIOFENO
POLIANILINA
POLIFENILENO
Em 1968 [9] observou-se que o polipirrol, outro material potencialmente
condutor, poderia ser polimerizado eletroquimicamente, e em 1973 [9] a sua
polimerização química foi anunciada, graças a uma grande variedade de agentes
oxidantes. Como resultado desta última síntese, foi obtido um pó preto condutor.
Um grande avanço no estudo da polianilina e do polipirrol na década de 1980 foi na
habilidade de reproduzir a síntese de polímeros puros com massa molecular,
estado de oxidação e grau de dopagem controlados [9]. Estudos sobre transporte
seletivo de espécies iônicas, através de membranas eletroquimicamente
7
preparadas de polipirrol e polianilina, apontam para aplicações tecnológicas
promissoras.
Alguns trabalhos mostram que oligômeros de polímeros condutores exibem
algumas propriedades físicas melhores do que o polímero. Um aumento na
cristalinidade do polímero leva a um aumento significativo na condutividade. Os
oligômeros podem ter sua cristalinidade aumentada mais rapidamente do que os
polímeros, dando ao oligômero um aumento de condutividade elétrica maior que a
do polímero, isto se o oligômero for suficientemente grande para permitir o
desenvolvimento de uma estrutura de bandas similar àquela do polímero. Com isto,
se a alta condutividade for desejada, os oligômeros podem ser a escolha mais
adequada. Por outro lado, se boas propriedades mecânicas são esperadas, os
polímeros seriam a melhor escolha [9].
Os polímeros condutores podem ter condutividade variando desde aquelas
características de isolantes até condutores dependendo do grau de dopagem.
Estudos [10] de condutividade da polianilina em função do grau de oxidação
demonstraram que o máximo na condutividade ocorre para a forma esmeraldina
50% oxidada.
Uma das grandes vantagens dos polímeros é a sua facilidade de
processamento em artefatos de diferentes formas e tamanhos, característica
essencial para viabilizar aplicações tecnológicas. Isto requer polímeros que sejam
solúveis, ou fusíveis, e termicamente estáveis. Neste aspecto, a polianilina tem se
destacado entre os polímeros condutores devido à sua solubilidade e a
possibilidade de processamento a quente. Com isto ela pode ser processada por
uma variedade de técnicas [4], dentre as quais se destacam:
a) Filmes por solução: formação de filmes convencionais por solução pela
evaporação do solvente (casting);
8
b) Filme-gel: formação de filmes contendo ligações cruzadas físicas, gelificados por
solução;
c) Filmes depositados eletroquimicamente: são obtidos pela eletropolimerização do
monômero diretamente na forma de filmes finos sobre substratos condutores;
d) Fibras por solução: produção de fibras uniaxialmente orientadas de polianilinas
por solução;
e) Polimerização química
in situ: recobrimento superficial de polímeros
convencionais pela polimerização
in situ do polímero condutor;
f) Blendas poliméricas com polímeros convencionais: produzidas por solução ou por
fusão;
g) Técnica de Langmuir-Blodgett (LB): formação de filmes ultrafinos pela deposição
controlada de camadas monomoleculares;
h) Técnica de automontagem (“
layer-by-layer”): formação de filmes ultrafinos pela
deposição alternada de policátions (polímero condutor) e poliânions (geralmente
poliácidos).
Devemos destacar as técnicas de Langmuir-Blodgett e automontagem
(LBL), que são importantes para a eletrônica molecular, para a produção de
dispositivos opto-eletrônicos e sensores. Estas técnicas permitem a fabricação de
filmes ultrafinos com arquiteturas moleculares planejadas e alto grau de
organização [4]. As técnicas LBL e LB são complementares.
2.2 - Polianilinas
A polianilina e seus derivados têm estabilidade química ambiental,
processabilidade, facilidade de polimerização, dopagem e baixo custo. Além disso,
um filme de polianilina de alta massa molecular uniaxialmente orientado [11] já
atingiu condutividade da ordem de 10
2
S/cm. As polianilinas representam uma
9
classe de polímeros cuja composição química na forma de base (não dopada) é
dada por uma fórmula geral apresentada na Figura 1.
Figura 1 – Estrutura química geral da polianilina
.
A estrutura é composta por y e (1-y) unidades repetitivas das espécies reduzidas e
oxidadas, respectivamente. O valor de
y pode variar continuamente entre 1 para o
polímero completamente reduzido (contendo somente nitrogênios amina) e zero, no
caso do polímero completamente oxidado (contendo somente nitrogênios imina).
Os diferentes graus de oxidação da polianilina são designados pelos termos
leucoesmeraldina, protoesmeraldina, esmeraldina, nigranilina e pernigranilina
quando
y for igual a 1; 0,75; 0,5; 0,25 e zero respectivamente. [4].
2.2.1 - Condutividade elétrica
A condutividade é um das propriedades físicas conhecidas que mais variam,
cobrindo por volta de 32 ordens de magnitude e apresentando valores que vão
desde 10
10
a 10
3
S/cm, para os melhores condutores, até cerca de 10
-22
S/cm, para
os melhores isolantes. Os materiais condutores possuem condutividade da ordem
de 10
5
S/cm. Os isolantes apresentam condutividade entre 10
-10
e 10
-22
S/cm. Os
semicondutores estão em uma faixa intermediária, geralmente de 10
-8
a 10
1
S/cm
[12,13]. A Figura 2 mostra um esquema que compara a condutividade entre os
polímeros condutores, materiais isolantes, semicondutores e metais.
10
Figura 2 – Esquema comparando a condutividade entre os polímeros condutores,
materiais isolantes, semicondutores e metais.
2.2.2 - Condutividade elétrica na polianilina
A condutividade elétrica na polianilina depende de duas variáveis [14]: o
grau de oxidação e o grau de protonação das cadeias poliméricas e envolve,
portanto, um novo conceito de condutividade em polímeros condutores [15]. A
oxidação depende do material, podendo ocorrer via eletroquímica, através de uma
reação de transferência de cargas, ou quimicamente pela reação do polímero com
um agente oxidante apropriado. No entanto, não basta que a polianilina esteja
dopada ocorrer condução. A base esmeraldina necessita estar metade oxidada e
metade reduzida. Por simples protonação, isto é, sem que ocorra alteração no
número de elétrons associados à cadeia polimérica, obtém-se uma fase altamente
condutora [16]. Este processo é conhecido por dopagem, em analogia aos
semicondutores inorgânicos. Ressalte-se que a dopagem é crucial para os
polímeros condutores, mas, apesar da analogia de nomenclatura, difere da
dopagem dos semicondutores inorgânicos. Na dopagem de um polímero, as
impurezas não são introduzidas nas cadeias, mas sim nas suas vizinhanças. A
interação impureza-cadeia gera deformações na cadeia e defeitos carregados
localizados, responsáveis pelo aumento de condutividade.
11
A protonação da base esmeraldina [15,17], de cor azul (desdopada), em
solução aquosa de HCl 1,0 mol/L produz um aumento de 10 ordens de grandeza na
condutividade, levando à formação do sal hidrocloreto de esmeraldina, que
apresenta cor verde (dopado). A desprotonação ocorre de maneira reversível por
tratamento semelhante com solução aquosa básica.
A primeira explicação para a condutividade elétrica dos polímeros teve como
base o Modelo de Bandas [18]. Em um polímero, como em um cristal, a interação
da cela unitária do polímero com todos os seus vizinhos, leva à formação de
bandas eletrônicas. Os níveis eletrônicos ocupados de mais alta energia constituem
a banda de valência (BV), e os níveis eletrônicos vazios de mais baixa energia, a
banda de condução (BC). Estes estão separados por uma faixa de energia proibida
chamada
band-gap [19], cuja largura determina as propriedades elétricas
intrínsecas do material. Para a explicação do aumento de condutividade do
poliacetileno na presença de agentes oxidantes ou redutores presumiu-se que na
dopagem tipo-p (agente oxidante) ou tipo-n (agente redutor), os elétrons eram
removidos do topo da banda de valência ou adicionados à banda de condução,
respectivamente, em analogia ao mecanismo de geração de portadores de cargas
em semicondutores inorgânicos. No entanto, este modelo de bandas
unidimensional não explicava o fato de a condutividade da polianilina, do poli(
p-
fenileno) e do polipirrol estar associada aos portadores de carga com spin zero e
não aos elétrons desemparelhados [20].
As duas formas de ressonância, aromática e quinônica, possíveis para
polianilina e outros polímeros cíclicos, não são completamente equivalentes. Estes
polímeros são denominados não degenerados. Para o caso de polímeros com
estados fundamentais não-degenerados, o mecanismo de condução mais aceito
[21] se dá via polarons e bipolarons (defeitos). Como ocorre em qualquer sólido,
12
nos polímeros o processo de ionização cria uma lacuna no topo da banda de
valência. Neste caso, três observações podem ser feitas:
1 – De acordo com a definição, nenhuma relaxação geométrica (distorção do
retículo) ocorre na cadeia polimérica;
2 – A carga positiva gerada permanece deslocalizada sobre toda a cadeia
polimérica;
3 – A lacuna (nível desocupado) no topo da banda de valência confere um caráter
metálico ao processo.
No entanto, em sólidos unidimensionais, dos quais os polímeros condutores
fazem parte, pode ser energeticamente favorável localizar a carga que aparece
sobre a cadeia (criando um defeito) e ter, ao redor dessa carga, uma distorção local
do retículo (relaxação). Isto tem como resultado o aparecimento de estados
eletrônicos localizados no interior do
band-gap, produzidos pela instabilidade de
Peierls, que define que qualquer condutor unidimensional é instável e está sujeito a
transformações estruturais, podendo torná-lo semicondutor [22], como mostra a
Figura 3. Contudo, ao contrário dos outros polímeros condutores, na polianilina
surgem parâmetros adicionais que contribuem para o aparecimento desses
defeitos. Esses parâmetros são independentes, mas contribuem para a formação
do
band-gap. São eles: a energia de deslocalilzação dos elétrons e a repulsão
estérica entre os anéis, que os desviam de uma estrutura planar além de provocar a
alternância no comprimento das ligações.
Quando ocorre a oxidação, ou seja, a remoção de um elétron da cadeia, a
energia de ionização diminui por uma quantidade
. Se é maior do que a
energia E
dis
necessária para distorcer o retículo localizado ao redor da carga, este
processo de localização de carga é favorecido em relação ao processo de
deslocalização da carga sobre toda a cadeia polimérica. Nesta situação, ocorre a
formação de um polaron, que pode ser interpretada como uma redistribuição de
13
elétrons , que polariza a cadeia polimérica apenas localmente. Isso produz uma
modificação de curto alcance na distribuição espacial dos átomos [22], que pode
ser entendido como um desvio da planaridade dos ângulos de rotação dos anéis.
No jargão químico, um polaron consiste em um íon-radical com carga unitária e spin
= ½, associado a uma distorção do retículo e a presença de estados localizados no
band-gap [20]. Ele recebe este nome porque se estabiliza polarizando o meio ao
seu redor, provocando a deformação do retículo. No processo de formação do
polaron a banda de valência permanece cheia e a banda de condução vazia. Não
há, portanto, o aparecimento do caráter metálico uma vez que o nível parcialmente
ocupado está localizado no
band-gap (Figura 3b).
Quando um segundo elétron é removido da cadeia são possíveis duas
situações: pode ocorrer a remoção de um elétron da cadeia polimérica ocasionando
a criação de mais um estado polaron ou, o elétron é removido do estado polaron já
existente. Neste último caso, forma-se um bipolaron, que é definido como um par
de cargas iguais (dicátion) com spin = 0, que está associado a uma forte distorção
do retículo. As duas cargas positivas no bipolaron não são independentes, atuando
como um par. Isto se dá de maneira análoga ao par de Cooper na teoria Bardee-
Cooper-Schrieffer da supercondutividade [23], que consiste em dois elétrons
acoplados a uma variação do retículo, ou seja, um fônon. A formação do bipolaron
é favorecida em relação à formação de dois polarons, uma vez que o ganho de
energia oriundo da interação de duas cargas com o retículo é maior do que a
repulsão coulômbica entre as cargas de mesmo sinal [20], Figura 3c.
14
Figura 3 – Modelo da estrutura de bandas de uma cadeia polimérica no caso de (a)
um processo de ionização vertical, (b) formação de um polaron e (c) formação de
um bipolaron.
Assim, pode-se afirmar que como nos semicondutores inorgânicos, os
polímeros condutores devem ser dopados para apresentar maior condutividade. No
entanto, nos polímeros condutores os portadores de carga são defeitos carregados,
os polarons e bipolarons, localizados ao longo da cadeia polimérica, diferindo dos
semicondutores, onde os portadores são elétrons ou buracos localizados dentro
das bandas. Esta particularidade tem influência direta no mecanismo de transporte
no interior da cadeia polimérica.
Estudos [17] sugerem que a protonação da polianilina não é homogênea,
mas que ocorre a formação de domínios completamente protonados, originando
ilhas metálicas embebidas em regiões não protonadas isolantes. Nestas cadeias
protonadas e condutoras, os polarons são formados por injeção de carga. Em altos
níveis de dopagem eles tenderiam a se combinar em bipolarons. Porém, a
formação de um bipolaron é impedida, muitas vezes, pela desordem ou efeitos de
finais de cadeia. Um polímero é uma seqüência ordenada de unidades
monoméricas. O grau de insaturação e conjugação influencia o transporte de
cargas que ocorre através de saltos dos portadores de carga (polarons e
bipolarons) de um estado localizado a outro, num mecanismo do tipo
hopping [24].
15
Considerando-se este último aspecto, a condutividade elétrica da polianilina é
limitada pela mobilidade dos portadores de carga, podendo ser melhorada pelo
aumento da orientação uniaxial de filmes e fibras de polianilina [25].
Ao fenômeno de transporte eletrônico intermolecular é aplicado um modelo
que considera que o polímero é formado por pequenas ilhas condutoras (ilhas
metálicas) separadas por barreiras isolantes. Na presença de espécies móveis,
estas barreiras tornam-se relativamente diminuídas, levando à hipótese da criação
de uma rede de percolação intercadeias [26]. Portanto, no processo de condução
em polímeros três formas estão envolvidas com relação à mobilidade dos
portadores de carga: o transporte intramolecular, o transporte intermolecular (ou
intercadeia) e o contato entre partículas, como ilustrado na Figura 4 [27].
As condições de síntese do polímero, que determinam o alinhamento das
cadeias poliméricas, e o dopante (inorgânico, orgânico ou poliácido) utilizado são
fatores que influenciam a condutividade elétrica. A estrutura da molécula dopante
além de gerar os portadores de carga através da reorganização da estrutura, ou
modificação química, também produz ligações intermoleculares que afetam o
transporte de carga.
Figura 4 – Rede de condutividade em um polímero condutor. A indica o transporte
intramolecular,
B o transporte intercadeia e C o transporte interpartículas.
16
2.2.3 - Dopagem
A base esmeraldina pode ser dopada com um ácido protônico não oxidante,
diferindo de todos os outros polímeros condutores, por não ocorrer mudança no
número de elétrons associados à cadeia polimérica. Por ser facilmente dopada por
protonação, a polianilina forma uma nova classe de polímeros condutores. Estudos
indicam que a polianilina dopada é formada por cátions radicais de
poli(semiquinona) que originam uma banda de condução polarônica. O mecanismo
de dopagem pode ser mais bem visualizado na Figura 5.
Figura 5 – Processo de dopagem da polianilina no estado esmeraldina [5].
A polianilina pode sofrer autodopagem quando o estado esmeraldina reage
com ácido sulfúrico concentrado [28]. Neste caso, um átomo de hidrogênio do anel
benzênico é substituído pelo grupo –SO
3
H, resultando em uma polianilina sulfonada
dopada de condutividade
= 0,1 S/cm. Outro efeito importante é a dopagem
secundária, em que a combinação de um ácido orgânico funcionalizado e um
solvente apropriado promove mudança conformacional das cadeias poliméricas, de
enoveladas para estendidas, acompanhada por um aumento adicional na
condutividade da PANI, atingindo aproximadamente 200 S/cm [4].
17
2.3 – Polímeros naturais
2.3.1 - Quitina
A quitina é um biopolímero formado exclusivamente por unidades 2-
acetamida-2-desoxi-D-glicopiranose unidas por ligação
(14). Ela está presente
na casca de artrópodes geralmente associada a proteínas, lipídios e carbonato de
cálcio. Cascas secas de crustáceos possuem de 15 a 20% de quitina, 25 a 40% de
proteína e 40 a 45% de carbonato de cálcio. A cutícula descalcificada de crustáceos
contém de 55 a 85% de quitina [29]. O termo quitina é derivado da palavra grega
“
khiton”, que significa carapaça ou caixa de revestimento, sendo esta realmente a
sua função em invertebrados, onde é o principal constituinte do exoesqueleto, e em
fungos, nos quais é o principal constituinte da parede celular. É o segundo
polissacarídeo mais abundante na face da Terra e sua estrutura é muito
semelhante à da celulose, mas no caso da quitina o grupo hidroxila do carbono 2 é
substituído por um grupo acetamido. (Figura 6)
Figura 6 – Representação esquemática da estrutura primária idealizada de quitina,
sendo n = grau de polimerização.
A importância comercial da quitina vem da vantagem de ser obtida de
materiais que constituem rejeitos da indústria pesqueira, como cascas de camarões
e carapaças de caranguejos, mas fungos também podem ser empregados para sua
obtenção [30]. A quitina tem importante papel como elemento de proteção nos
organismos e está geralmente associada a materiais inorgânicos, proteínas e
pigmentos. Tratamentos químicos são necessários para eliminar esses
18
“contaminantes” levando à obtenção da quitina pura que possa ser comercialmente
explorada [30].
A obtenção de quitina envolve etapas de desproteinização e de
desmineralização dos materiais de partida. Na etapa de desproteinização, o resíduo
é tratado com solução diluída de hidróxido de sódio (1%), sob temperatura elevada
[29]. Na etapa de desmineralização uma solução de ácido clorídrico (10%) é
utilizada para dissolver e extrair o carbonato de cálcio, em temperatura ambiente. A
quitina é um material insolúvel em soluções de ácidos diluídos, porém se solubiliza
em ácidos concentrados como H
3
PO
4
, H
2
SO
4
e HCl, mas em todos os casos ocorre
a degradação parcial de suas cadeias.
A estrutura cristalina da quitina é altamente ordenada, o que pode ser
observado por difração de raios X [31]. Ela pode ocorrer de três formas
denominadas
, e , as quais diferem quanto ao arranjo de suas cadeias nas
regiões cristalinas, conforme esquematizado na Figura 7. As estruturas polimórficas
podem ser diferentes, talvez porque cada uma esteja relacionada a uma função
diferente [31]. Na natureza a
-quitina é encontrada quando se necessita de
resistência e dureza, como em cutículas de artrópodes, e está freqüentemente
associada com proteínas ou materiais inorgânicos, ou com ambos. Já as formas
e
-quitinas aparecem quando são necessárias flexibilidade e dureza. A -quitina
pode ser encontrada em lulas.
- quitina
- quitina
- quitina
Figura 7 – Estruturas polimórficas de quitina.
19
2.3.2 - Quitosana
A quitosana, um polissacarídeo fortemente relacionado com a quitina,
também ocorre na natureza, em alguns fungos, mas é bem menos abundante que a
quitina. É obtida, geralmente, pela desacetilação de quitina em processos que
podem envolver diferentes condições e reagentes, sendo que o uso de solução de
NaOH em elevadas temperaturas é o método mais comum [30]. Quitosana é um
copolímero de 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose e 2-acetamido-2-desoxi-D-
glicopiranose, de composição variável em função do grau residual de acetilação,
cujas unidades são unidas por ligações
(14). Sua estrutura idealizada pode ser
observada na Figura 8.
Figura 8: Representação esquemática da estrutura primária idealizada de
quitosana, sendo n = grau de polimerização.
O termo quitosana é usado para identificar amostras contendo mais de 50%
ou 60% de unidades desacetiladas, enquanto quitina corresponde a produtos muito
mais acetilados. Como conseqüência de diferentes conteúdos de unidades
acetiladas, quitina e quitosana possuem diferentes graus de solubilidade, sendo
que quitina é insolúvel na maioria dos solventes, enquanto a quitosana é solúvel em
soluções aquosas de ácidos orgânicos e inorgânicos [30].
A quitosana comercial é principalmente obtida pela desacetilação de quitina,
sendo que as suas qualidades/propriedades variam de acordo com a fonte de
extração (animal) e a manufatura do polímero. Tais propriedades incluem grau de
pureza, viscosidade, grau de desacetilação, massa molecular e estrutura
polimórfica. Algumas propriedades só são realçadas após processamentos
20
específicos. A habilidade de adsorver metais, por exemplo, depende do processo
de hidrólise dos grupos acetamido. Uma hidrólise homogênea pode resultar em
quitosana com maior taxa de adsorção do que aquela preparada por processo
heterogêneo com o mesmo grau de acetilação [32].
Uma das mais importantes propriedades da quitosana é a de agir como
quelante [32]. Ela pode se ligar seletivamente a materiais como o colesterol,
gorduras, proteínas, células tumorais e íons metálicos, o que vem gerando uma
vasta possibilidade de aplicações [29,31,33].
A capacidade de a quitosana interagir com íons metálicos em meios
aquosos é superior à apresentada pela quitina, porém sua aplicação em processos
de descontaminação é limitada a efluentes de baixa acidez (pH > 6-7) pois a
quitosana é solúvel em meios de acidez moderada e forte, o que impede, ou pelo
menos dificulta, sua utilização na forma de filtros, membranas ou colunas
[31,32,33]. Alternativas viáveis para estender as possibilidades de emprego de
quitosana como quelante de íons metálicos a uma faixa mais ampla de pHs são:
i) a
introdução de substituintes acila portadores de cadeias relativamente longas [34];
ii)
a introdução de substituintes quelantes [35]; iii) a grafitização com monômeros
selecionados (ácidos alcenóicos e alcenodióicos) [36] e
iv) o estabelecimento de
um certo número de entrecruzamentos ou ligações covalentes intercadeias
[33,34,37].
Nesse último caso, se o grau de entrecruzamento, ou de reticulação, é
suficientemente elevado, o derivado obtido passa a ser insolúvel e o material pode
ser empregado em filtros, membranas ou como suporte sólido de colunas pelas
quais efluentes contendo íons metálicos dissolvidos podem ser eluídos. A presença
de grupos hidroxila e amino permite ampla variedade de modificações químicas,
incluindo reações com agentes entrecruzadores [35]. Agentes apropriados para o
estabelecimento desses entrecruzadores devem ser bifuncionais e reativos frente
21
aos sítios disponíveis nas cadeias de quitosana, sendo que glutaraldeído tem sido
aplicado com relativo sucesso para essa finalidade [33,34,37]. Entretanto, é
necessário que a amostra de quitosana entrecruzada ainda contenha grupos amino
disponíveis para quelação após a etapa de entrecruzamento.
Um outro agente de entrecruzamento, a epicloridrina, apresenta vantagens
adicionais [38]. A epicloridrina reage preferencialmente com grupos hidroxila, com
os grupos amino, essenciais para a quelação de íons metálicos, sendo
preservados. Além disso, as propriedades mecânicas de quitosanas entrecruzadas
com epicloridrina são superiores às dos materiais obtidos com outros agentes de
entrecruzamento [38], o que pode resultar em materiais capazes de suportar fluxos
elevados quando empregados em colunas. Por outro lado, ainda que os
entrecruzamentos não envolvam grupos amino das cadeias de quitosana, é
necessário que o grau de reticulação não seja demasiadamente elevado, pois
resultará em produto muito hidrofóbico e com baixa capacidade de intumescimento,
limitando severamente a permeação do efluente aquoso e a capacidade do material
remover íons metálicos [33,37].
Na literatura [39] foram destacadas várias aplicações da quitosana graças a
sua biocompatibilidade, biodegrabilidade, atoxicidade e capacidade de adsorção.
Em fotografia a quitosana é usada por sua resistência à abrasão, capacidade de
formar filmes e características ópticas [40]. Em cosméticos a quitosana e, inclusive
a quitina, funcionam como fungicidas (principalmente a quitosana, pela capacidade
de absorver água, das propriedades reológicas e atoxicidade). Graças as suas
propriedades policatiônicas, a quitosana forma soluções viscosas em meio ácido e
pode ser usada em cremes e loções [41]. Outro destaque na aplicação desse
biopolímero é o seu uso como pele artificial. Nos casos de indivíduos que sofrem
danos na pele, principalmente queimaduras, infecções, perda de fluidos corporais,
em geral a reabilitação do paciente é muito difícil. Em [42] foram realizados estudos
22
em cães acerca do efeito do uso de uma solução salina de quitosana colocada em
curativos sob o tecido cutâneo abdominal lesado, e foi demonstrado que tal
procedimento favoreceu a cicatrização.
A quitosana também tem aplicações na oftalmologia, pois possui as
características necessárias para confecção de lentes de contato como
transparência, estabilidade mecânica, permeabilidade para gases, em particular
para oxigênio, e compatibilidade imunológica. As lentes são feitas de quitosana
parcialmente despolimerizada e purificada de lulas [43].
Nanopartículas de quitosana são empregadas para a fabricação de
dispositivos para liberação de agentes ativos, sendo uma de suas vantagens o fato
de serem utilizados solventes orgânicos na sua fabricação, já que o polímero é
solúvel em soluções aquosas ácidas. No caso de liberação controlada de drogas,
existem diversos métodos para preparação de nanopartículas em função de sua
utilização, tais como a gelificação iônica para liberação de felodipina, insulina,
albumina ciclosporina A, o método de peneiramento para liberação de clozapina,
precipitação para DNA, entre outros [44]. As nanopartículas também possuem
características bactericidas. Estudos mostraram que nanopartículas de quitosana
podem evitar crescimento de vários microorganismos (tanto bactérias gram-
positivas quanto gram-negativas) funcionando mais eficientemente que a quitosana,
a qual também possui esta propriedade, que não esteja na forma de nanopartículas
[45].
2.4 – Compreensão e desenvolvimento de um sensor gustativo eletrônico
No sistema gustativo humano uma membrana localizada em canais
especiais na língua, composta principalmente de lipídios e proteínas, é que faz a
detecção dos sabores. Através de sinais elétricos as informações são transmitidas
ao cérebro onde o paladar é identificado [46]. Existe ainda uma substituição
23
contínua de células e ramificações nervosas na língua, onde a terminação nervosa
de uma papila gustativa muda de uma célula velha e se conecta a uma nova, sem
afetar o reconhecimento de paladar, ou seja, o cloreto de sódio (NaCl) será sempre
salgado. Essa renovação de células aumenta a complexidade do sistema gustativo,
dificultando a compreensão exata de como o cérebro identifica o que a boca está
provando. Há pouco conhecimento sobre o paladar, sendo ele o menos conhecido
dos sentidos humanos. Existem diferentes opiniões na literatura quanto à resposta
das células receptoras, isto é, se elas respondem de maneira seletiva ou mais
ampla a um determinado gosto [47].
Apesar dessa complexidade, a idéia mais aceita cientificamente é de que o
sistema biológico não consegue discriminar substâncias individuais presentes em
bebidas ou alimentos, agrupando toda a informação recebida em padrões distintos
de resposta, que são codificados em paladares pelo cérebro. Esse conceito,
conhecido como seletividade global, implica na habilidade de classificar grandes
quantidades de substâncias em diferentes grupos (doce, salgado, azedo e amargo).
Por exemplo, o ser humano reconhece sem dificuldades chá e café, mas poucos
sabem que estas bebidas são sistemas complexos compostos por mais de mil
moléculas distintas. O mesmo não ocorre com outros sentidos que, a princípio,
respondem a apenas uma quantidade física, como luz em estímulos visuais.
O principal objetivo no desenvolvimento de um sensor gustativo artificial é o
reconhecimento do paladar e não a discriminação de substâncias. Logo, a
especificidade deixa de ser um requisito fundamental neste tipo de aplicação
sensorial. A utilização de materiais transdutores parecidos com aqueles
encontrados nos sistemas biológicos é um caminho para a fabricação de sensores
gustativos. Os materiais transdutores não necessitam estar combinados a uma
determinada espécie química para o reconhecimento do líquido em estudo, pois
dependendo do meio em que se encontram estarão em contato com várias, sem a
24
obrigatoriedade de interação química com alguma em particular. Sabe-se que as
sensações de paladar têm origem nas interações das moléculas responsáveis pelo
gosto com os lipídios da membrana receptora. Assim, membranas artificiais
compostas de materiais poliméricos e lipídios apresentam grande potencial para
este tipo de sensor, o que foi demonstrado experimentalmente em [46].
Polímeros condutores são adequados para sensores, pois na presença de
determinadas substâncias químicas sofrem alterações físicas e estruturais, devido a
variações do estado de oxidação. Estas acabam tendo como efeito primário
mudança na mobilidade dos portadores de carga (diminuindo ou aumentando a
resistência elétrica), fazendo com que o sinal de resposta seja analiticamente
mensurável. Um resultado prático interessante foi realizado com membranas de
polianilinas (PANI), cuja permeabilidade e seletividade iônica dependiam
explicitamente de seu estado de protonação (dopagem) [48]. Quando não dopada a
membrana possui baixa permeabilidade a íons inorgânicos, mas continua seletiva
aos íons H
+
, ao passo que quando dopada, ocorre uma queda na sua resistência
elétrica tornando-a seletiva tanto a ânions quanto a íons H
+
. Verificou-se também
que a polianilina atua como meio imobilizador e transdutor, convertendo um sinal
bioquímico em um sinal elétrico [49], quando um sensor feito com este material foi
imerso em soluções de glicose em diferentes concentrações. Através de uma
reação enzimático-catalítica o polímero pode detectar essa biomolécula.
A maioria dos sensores gustativos eletrônicos encontrados na literatura
utiliza medidas de potenciometria ou voltametria cíclica [47] como princípio de
detecção. Esses dispositivos empregam um conjunto de unidades sensoriais que
não são seletivas às espécies químicas no sistema de medidas, mas que por sua
vez geram um padrão de resposta que pode ser associado com as características
ou qualidades da amostra analisada. Os dispositivos potenciométricos operam em
função da carga medida em membranas lipídicas positiva e negativamente
25
carregadas, limitando o número de substâncias detectáveis a íons e outras
espécies carregadas. A utilização de voltametria cíclica em sistemas líquidos
complexos, por sua vez, necessita de compostos que possam ser ativamente
oxidados ou reduzidos sobre o eletrodo de trabalho. Além disso, quando o potencial
redox é relativamente baixo o comportamento eletroquímico de eletrodos metálicos
torna-se instável e pouco reprodutível [47]. Apesar de os dispositivos
potenciométricos e voltamétricos operarem com técnicas distintas, a capacidade de
separar amostras não difere muito entre eles.
A utilização de uma língua eletrônica constituída por unidades sensoriais
gustativas fabricadas através das técnicas LBL e LB utilizando materiais poliméricos
condutores, polímeros naturais e lipídios produziram excelentes resultados no
estudo de bebidas como o café e vinho [50], em que o princípio de medida é
baseado em espectroscopia de impedância. Uma vantagem deste método de
medida é o fato de ser desnecessário empregar eletrodo de referência, que pode
trazer problemas quanto a confiabilidade de medidas, principalmente quando o
sistema for miniaturizado [51]. Outra vantagem da língua eletrônica que utiliza
polímeros condutores e medidas de impedância é a detecção e diferenciação de
substâncias que não formam eletrólitos, como o café e a sacarose, em
concentrações abaixo do limite humano de percepção [52]. Por exemplo, um estudo
com amostras de café fornecidas pela ABIC (Associação Brasileira da Indústria do
Café) mostrou ótima concordância entre a classificação feita pela língua eletrônica
e aquela realizada por degustadores profissionais para os vários tipos estudados
[50]. Também foi possível diferenciar vinhos oriundos de um mesmo tipo de uva,
produzidos por diferentes vinícolas.
Métodos óticos com base na absorção de luz também estão sendo utilizados
em línguas eletrônicas. Constituída por um dispositivo de carga acoplado (CCD)
combinado a indicadores químicos [59], essa língua foi utilizada no estudo de
26
misturas de Ca
2+
, Cu
2+
e açúcar em vários pHs. Os arranjos de sensores óticos
possuem limitações, pois são desenvolvidos para a detecção de grupos mais
específicos, como aminoácidos ou íons específicos.
Um novo método cromatográfico por troca iônica acoplado a um
espectrômetro de massa com fonte de plasma (ICP-MS) aplicado à especiação de
metais pesados promoveu alta seletividade à detecção das espécies, onde o limite
alcançado foi da ordem de nmol L
-1
[60]. A absorção atômica é também um dos
métodos utilizados na determinação da quantia de metais pesados em vegetais
como feijão, espinafre e batata. O limite de detecção da técnica para o chumbo,
cádmio, arsênio e mercúrio foi de 0.21, 0.02, 0.05 e 0.006 ng/g, respectivamente
[61].
Línguas e narizes eletrônicos vêm sendo estudados, tanto para aplicações
industriais, como no controle da fermentação do mosto durante a produção de vinho
e classificação destes através do paladar [65,66] e aroma [67], controle na
qualidade do café [68], cervejas e refrigerantes [57], na verificação do estado de
conservação de carnes e frutas, quanto no monitoramento da qualidade do ar e da
água. Até na área médica encontramos sensores que imitam os sentidos humanos,
como em [69] onde a aplicação simultânea de uma língua e um nariz eletrônico foi
proposta com o objetivo de aumentar o poder discriminatório do dispositivo.
Entre as vantagens de um sensor artificial está a possibilidade do uso em
substâncias de gosto desagradável e aquelas tóxicas, a preservação da
sensibilidade mesmo após o uso prolongado e a alta sensibilidade comparada ao
comportamento humano [53].
2.5 Materiais para línguas eletrônicas
A quantidade de materiais empregados na construção de dispositivos
sensores é enorme, com destaque para os vidros calcogenetos, lipídios, proteínas,
27
semicondutores, polímeros condutores e naturais. A sensibilidade a cátions de
metais pesados como Ni
2+
, Cu
2+
, Zn
2+
, Cd
2+
e Pb
2+
em soluções individuais de
concentrações que variaram de 10
-2
a 10
-7
mol/L foram estudadas em sensores do
estado sólido com sensibilidade cruzada [54]. Membranas poliméricas depositadas
sobre eletrodos de pasta de carbono para análise de bebidas também foram
relatadas [57]. De 10 a 45 unidades sensoriais baseadas em vidros calcogênicos
fizeram parte de um arranjo onde foram utilizadas técnicas potenciométricas para
avaliação do dispositivo em análises líquidas. A ferramenta foi combinada à análise
de componentes principais e diferentes tipos de redes neurais, como
back
propagation
e self-organized map [71]. Este mesmo material foi utilizado em [72],
sendo o dispositivo capaz de distinguir água mineral da mesma contaminada por
matéria orgânica. Análises quantitativas foram realizadas em algumas amostras de
vinho demonstrando a possibilidade dessa língua eletrônica medir a quantidade de
algumas substâncias e ácidos orgânicos, como álcool etílico e ácido tartárico,
respectivamente. Água poluída artificialmente por íons metálicos também foi
analisada pelos sensores constituídos por tais vidros [73], com o objetivo de
mostrar uma ferramenta útil para aplicações ambientais, como o monitoramento de
várias espécies metálicas na água dos rios.
Sensores constituídos de membranas lipídicas e poliméricas já foram
testadas [74]. Este tipo de sensor mostra baixa sensibilidade a substâncias que não
formam eletrólitos ou que formam eletrólitos fracos. Esta condição pode ser
melhorada com o uso de filmes LB [75], como em [53], onde foi mostrado que a
combinação de filmes finos de diferentes materiais pode ser utilizada. A
espectroscopia de impedância provou ser vantajosa quando comparada com as
técnicas que fazem uso de potenciometria e voltametria. Nesse trabalho foi
alcançado um limite de detecção para sacarose, quinino (paladar amargo), NaCl e
HCl (azedo) em partes por bilhão (ppb). Ainda em [53] foi sugerido que a
28
combinação de polímeros condutores e rutênio pode ser utilizada na confecção de
filmes finos com aplicações específicas, visto que complexos de rutênio podem
complexar com metais pesados.
Demonstrou-se que uma única unidade sensorial é capaz de distinguir os
paladares, mas que a combinação de unidades distintas em um mesmo arranjo
promove um melhor desempenho do dispositivo. Além disso, o limite de detecção
do arranjo foi encontrado ser mais baixo do que para um único sensor [54]. É
afirmado também em [63] que o uso de filmes finos de polímeros condutores e
lipídios combinado à espectroscopia de impedância é vantajoso, pois foi possível a
identificação até mesmo de substâncias que não formam eletrólitos como a
sacarose. O efeito de supressão que ocorre no sistema gustativo humano, onde o
paladar de uma mistura de duas substâncias é percebido com menos intensidade
do que individualmente, também foi verificado pelo dispositivo sensor proposto.
Através dos trabalhos já citados, pode-se perceber que os polímeros condutores
podem aumentar a sensibilidade e seletividade do dispositivo devido às suas
propriedades únicas, servindo de matriz para imobilizar certas moléculas ou
controlando reações interferentes.
2.6 – Sensor gustativo aplicado ao meio ambiente
Os despejos de resíduos industriais são as principais fontes de
contaminação das águas e dos rios com metais pesados. Um caso interessante foi
a descoberta do Mal de Minamata. A população da vizinhança da Baía de
Minamata, Japão, cuja dieta era baseada em peixes e frutos do mar, sofreu com
uma doença cerebral causada por ingestão do mercúrio proveniente de dejetos
químicos lançados indiscriminadamente por uma indústria no leito do rio que
desaguava na Baía [77]. Esta foi a primeira vez que uma doença causada pela
ingestão de mercúrio foi registrada. Há várias formas de o mercúrio entrar no
29
organismo humano, sendo as mais comuns através dos alimentos e da água. Ele
pode aparecer nas descargas industriais em cinco formas principais: (1) mercúrio
divalente, Hg
2+
, (2) mercúrio metálico, Hg
0
, (3) fenil-mercúrio, C
6
H
5
Hg
+
, (4)
alcoxialquilmercúrio, CH
3
O-CH
2
-CH
2
-Hg
+
e (5) metilmercúrio, CH
3
Hg
+
, sendo esta a
forma mais tóxica. O metilmercúrio é formado principalmente por metilação de
mercúrio através de bactérias metanogênicas que são amplamente encontradas
nos sedimentos de rios e canais [78].
A maioria dos organismos vivos só precisa de alguns poucos metais e em
doses muito pequenas, tão pequenas que costumamos chamá-los de
micronutrientes, como é o caso do zinco, do magnésio, do cobalto e do ferro
(constituinte da hemoglobina). Estes metais tornam-se tóxicos e perigosos para a
saúde quando ultrapassam determinadas concentrações-limite. Já o chumbo, o
mercúrio, o cádmio, o cromo e o arsênio são metais que não existem naturalmente
em nenhum organismo. Tampouco desempenham funções nutricionais ou
bioquímicas em microorganismos, plantas ou animais. Ou seja, a presença destes
metais é prejudicial em qualquer concentração.
Estima-se que a superfície da terra receba anualmente algo em torno de
100000 toneladas de mercúrio devido à precipitação de chuvas e neve. As
principais fontes de contaminação do meio ambiente são as indústrias produtoras
de cloro, papel, cimento, plástico, que exploram e refinam minérios, os laboratórios
de análises químicas, hospitais e clínicas dentárias. Contribuem também o uso
indiscriminado de pesticidas, a queima de combustíveis fósseis, indústrias elétricas
e incineradores. A natureza volátil do mercúrio e sua associação com outros
compostos tornam o assunto mais complexo. Devido ao grande problema ambiental
causado pela contaminação por este metal, numerosos métodos de análises são
encontrados na literatura, como absorção atômica, cromatografia gasosa e líquida,
fluorescência de raios X, microbalança de ouro, entre outros [78]. Tais técnicas
30
exigem equipamentos caros e manutenção especializada, o que, em muitos casos,
inviabiliza sua aplicação.
A Norma de Qualidade de Água para Consumo Humano recomenda a
realização de testes para detecção de odor e
gosto em amostras coletadas na
saída do tratamento e na rede de distribuição. Neste contexto, o monitoramento de
algumas substâncias químicas que possam comprometer a potabilidade da água
exige métodos de análises mais sensíveis e confiáveis e, de preferência, de custo
acessível e de fácil utilização. Deste modo, a língua eletrônica que é composta por
filmes ultrafinos de diferentes materiais e utiliza medidas de espectroscopia de
impedância se apresenta como ferramenta eficaz e alternativa para a detecção de
poluentes e monitoramento da qualidade da água.
31
III – TÉCNICA DE PROCESSAMENTO DE DADOS – PCA
Através de uma técnica de síntese, que é uma característica de seus
métodos, a estatística torna possível analisar os padrões de comportamento da
característica em estudo, conseguindo superar a indeterminação que se manifesta
em casos particulares. Em estudos que envolvem grandes quantidades de dados
pode ocorrer de o analista ter dificuldade em absorver completamente a informação
que está procurando investigar. É extremamente difícil captar intuitivamente todas
as informações que os dados contêm. É necessário, portanto, que as informações
sejam reduzidas até o ponto que se possa interpretá-las mais claramente. Em
outras palavras, é indispensável resumi-las, através do uso de certas medidas
síntese, mais claramente conhecidas como estatísticas descritivas ou simplesmente
estatísticas [80].
Evidentemente, ao resumir os dados através do uso de estatísticas
descritivas, muitas informações necessariamente se perderão, além de ser provável
a obtenção de resultados distorcidos, a menos que eles sejam interpretados com
muita precaução [80]. É neste contexto que se insere o método estatístico de
Análise de Componentes Principais (PCA) que será utilizado para avaliação dos
resultados.
3.1 – Descrição do método estatístico para análise dos resultados
Para a avaliação das informações obtidas por todas as unidades sensoriais
que compõem a língua eletrônica foi utilizado um método estatístico conhecido
como Análise de Componentes Principais, ou simplesmente PCA (do inglês
“
Principal Component Analysis”). Este método indica se determinada amostra é
semelhante ou não a outra, e a importância de cada eixo em um gráfico de PCA é
expressa em termos de sua respectiva variância, indicando quanta informação é
extraída por cada Componente Principal do conjunto de dados experimentais.
32
Geralmente, 70% da variância total estão contidos nas duas primeiras
Componentes Principais [81]. A seguir, será mostrado em detalhes como é o
procedimento matemático da análise estatística utilizada no estudo [82].
Consideremos uma espécie de peixe sendo descrita por apenas uma
característica, ou seja, por apenas uma variável, como por exemplo, seu
comprimento total. Uma amostragem de n peixes é coletada e estes serão
comparados em função desta única variável. A Figura 9 representa a grandeza de
interesse a ser comparada.
B1
Figura 9 – Representação da grandeza de interesse a ser avaliada.
A Tabela 2 mostra os dados coletados para uma amostragem total de cinco peixes.
Tabela 2 – Comprimento total dos peixes coletados.
Amostras Variável B1
X1 X
11
X2 X
21
X3 X
31
X4 X
41
X5 X
51
Cada valor que representa o comprimento total de cada peixe ocupa uma posição
do vetor Variável B1 da Tabela 2. Neste caso, por se tratar de uma descrição
unidimensional, as amostras só poderão ser comparadas em uma única direção, ou
33
seja, a direção do comprimento total, como ilustra a Figura 10. Vemos que é fácil
perceber se há alguma semelhança entre as amostras quanto ao comprimento
total.
X
11
X
21
X
31
X
41
X
51
Figura 10 – Esquema ilustrando a direção para uma possível comparação entre as
amostras.
Consideremos que mais uma variável de descrição venha incrementar o
estudo feito com o peixe. Não só o comprimento total é importante agora, mas
também a medida da cauda do peixe. A Figura 11 representa as grandezas de
interesse a serem estudadas.
B1
B2
Figura 11 – Representação das grandezas de interesse a serem avaliadas.
A Tabela 3 mostra dados simbólicos do comprimento total de cada um dos cinco
peixes da amostragem mais o tamanho da cauda. Temos uma matriz que informa
os dados coletados, onde cada par ordenado representa o comprimento total
(Variável B1) e o comprimento da cauda (Variável B2) de cada peixe da
B
1
34
amostragem. Em função da descrição das amostras ser uma combinação de duas
variáveis, isto é, uma descrição bidimensional, a comparação entre as amostras
pode ser realizada em duas direções, ou seja, num plano, onde um dos eixos
corresponde ao comprimento total e o outro ao tamanho da cauda.
Tabela 3 – Comprimento total e da cauda dos peixes coletados.
Amostras
Variáveis
B1 B2
X1 X
11
X
12
X2 X
21
X
22
X3 X
31
X
32
X4 X
41
X
42
X5 X
51
X
52
B2
B1
X1
X2
X3
X4
X5
Figura 12 – Esquema ilustrando uma comparação bidimensional entre as amostras.
A representação gráfica (Figura 12) mostra que cada peixe fica
representado por um vetor no plano, com direção e módulo característicos. Nota-se
que ainda é possível visualizar e comparar as amostras sem necessidade de um
programa computacional estatístico.
35
Suponhamos que o estudo seja enriquecido com mais uma variável, a
medida da cabeça do peixe. A Figura 13 representa as variáveis a serem
estudadas. Como anteriormente, a Tabela 4 simboliza os dados coletados para a
amostragem de peixes a ser analisada.
B1
B2B3
Figura 13 – Representação das três grandezas de interesse a serem avaliadas.
Tabela 4 – Comprimento total, da cauda e da cabeça dos peixes coletados.
Amostras
Variáveis
B1
B2
B3
X1 X
11
X
12
X
13
X2 X
21
X
22
X
23
X3 X
31
X
32
X
33
X4 X
41
X
42
X
43
X5 X
51
X
52
X
53
Por analogia aos exemplos anteriores, fica claro que os peixes são descritos
por variáveis tridimensionais, e por isso, serão comparados no espaço. O eixo 1
será representado pelo comprimento total, o eixo 2 pelo comprimento da cauda e o
eixo três pela medida da cabeça. A Figura 14 mostra que cada peixe fica
representado por um vetor no espaço. Neste ponto já começa a ficar claro que
quanto mais se incrementa o estudo com variáveis descritivas, mais difíceis se
torna a percepção de semelhanças ou diferenças entre as amostras e,
36
conseqüentemente, a interpretação dos resultados. É neste contexto que se insere
a análise multivariada.
B1
B2
B3
X1
X2
X3
X4
X5
Figura 14 – Esquema ilustrando uma comparação tridimensional entre as amostras.
No caso, a PCA consegue fazer com que as informações trazidas por
m
variáveis descritoras, que geram m eixos componentes, sejam observadas de uma
forma simples, no plano ou no espaço, por exemplo. Este efeito é conseguido
através de algumas combinações lineares na matriz de dados originais que
descreve as amostras estudadas, dando origem a uma matriz de semelhança. Com
base nesta matriz de semelhança é estabelecido um conjunto de eixos
perpendiculares, ou Componentes Principais, que correspondem aos autovetores
da matriz. As Componentes Principais possuem comprimentos que expressam a
quantidade de informação que está sendo extraída do conjunto de dados
experimentais. Estes comprimentos correspondem aos
autovalores da matriz de
semelhança. Também desta matriz é retirado um novo conjunto de dados que
descreve os pontos-amostra relacionados ao novo sistema de eixos.
Para melhor compreensão da descrição, será resolvido um exemplo
numérico que mostra como funciona a Análise de Componentes Principais.
Consideremos uma amostragem de cinco peixes descritos por duas variáveis,
37
comprimento total (C1) e medida da cauda (C2). A Tabela 5 descreve os resultados
simbólicos.
Tabela 5 – Dados simbólicos para cálculo da Análise de Componentes Principais.
Peixes
Comprimentos
C1 C2
P1 2 1
P2 3 4
P3 5 0
P4 7 6
P5 9 2
O primeiro passo para a Análise de Componentes Principais é encontrar a
matriz de
Variâncias e Covariâncias. Por definição, a Variância além de localizar o
centro de uma nuvem de dados, é também uma medida da quantidade de variação
destes dados com relação ao centro. A equação matemática que descreve esta
grandeza estatística é dada por:
S
x
2
=
1
n - 1
i = 1
n
( x
i
– x )
2
que é a soma dos desvios quadráticos médios. A Covariância é a medida da
dispersão conjunta de duas variáveis, y
k
e y
j
, em torno de suas médias, m
k
e m
j
.
Para um cálculo da matriz de Variâncias e Covariâncias, denominada de
S, é
utilizada a seguinte equação;
S = (1/) Y’ • Y (2)
(1)
38
Onde Y é a matriz dos dados originais centrados na média, ou seja, Y = y - m
y
.
Neste caso, m
y1
= 5,2 (média da coluna 1) e m
y2
= 2,6 (média da coluna 2). Então, Y
fica igual a:
-3,2
-2,2
-0,2
1,8
3,8
-1,6
1,4
-2,6
3,4
-0,6
Y
=
Y’ é a matriz transposta dos dados originais centrados na média. Esta matriz fica
escrita como;
-3,2 -2,2 -0,2 1,8 3,8
-1,6 1,4 -2,6 3,4 -0,6
Y’ =
A grandeza representa os graus de liberdade da matriz, dados por = n – 1. No
caso, como o número de amostras é igual a 5,
= 4. Realizando as operações
restantes, a matriz
S fica igual a:
S
= 1
Y’ • Y
O traço da matriz S, ou seja, o somatório dos elementos da diagonal principal (em
negrito) corresponde à Variância total dos dados, sendo esta igual a 14 (8,2 + 5,8 =
14).
O segundo passo no cálculo da PCA é encontrar os autovalores da matriz
S,
isto é, suas raízes intrínsecas. Lembremos que os autovalores correspondem aos
= 8,2 1,6
1,6
5,8
39
comprimentos dos eixos perpendiculares que ainda serão calculados. Para isto,
será usada a equação (3), que define os autovetores.
| S -I | = 0 (3)
Nesta equação
S é a matriz de Variâncias e Covariâncias, I é a matriz Identidade e
são os autovalores procurados. Substituindo os valores conhecidos na equação
(3), monta-se o seguinte sistema:
8,2 1,6
1,6 5,8
1 0
0 1
-
= 0
A resolução do sistema leva à equação do segundo grau;
2
– 14 + 45 = 0 (4)
Que resolvida fornece os autovalores
1
= 9 e
2
= 5.
Pode-se observar que a soma de
1
e
2
é igual a 14, ou seja, igual ao traço
da matriz
S, que corresponde à variância total dos dados. Em função disso, a
variância total dever se distribuída entre
1
e
2
. Isto deve ser feito da seguinte
forma:
14
100%
9
X
40
Onde X = 64,3%, que corresponde ao comprimento da Primeira Componente
Principal. O mesmo deve ser feito com o segundo autovalor.
100%
14
5
Y
Aqui, Y = 35,7%, correspondendo ao comprimento da Segunda Componente
Principal. Podemos afirmar por estes resultados que 64,3% da variância total é
explicada pela Primeira Componente Principal e 35,7% pela Segunda Componente
Principal.
O terceiro passo na Análise de Componentes Principais é encontrar os eixos
perpendiculares, isto é, as Componentes Principais. Para tanto, é necessário
calcular os autovetores da matriz
S. A equação característica para isso é dada por:
[
S - I ] • U = 0 (5)
As variáveis, S, e I já foram descritas anteriormente, já U corresponde à
matriz dos autovetores. Para cada um dos autovalores existem dois
autovetores que comporão a matriz
U. Substituindo o primeiro autovalor
1
=
9 na equação (5) teremos:
8,2 -
1
1,6
1,6 5,8 -
1
•
= 0
U
11
U
21
Efetuando as operações matriciais encontraremos o seguinte sistema:
41
-
0,8 U
11
+ 1,6 U
21
= 0
1,6 U
11
- 3,2 U
21
= 0
A solução do sistema fornece os dois primeiros autovetores, U
11
= 1 e U
21
= 0,5.
Repetindo a operação para o segundo autovalor (
2
) encontraremos os dois
outros autovetores. As operações para
= 5 ficam descritas por:
8,2 -
2
1,6
1,6 5,8 -
2 •
U
12
U
22
= 0
Efetuando-se a operação matricial chega-se ao seguinte sistema:
3,2 U
12
+ 1,6 U
22
= 0
1,6 U
12
+ 0,8 U
22
= 0
A resolução deste fornece os dois outros autovetores relacionado a
2
, U
12
= -0,5 e
U
22
= 1. Com estes resultados podemos escrever a matriz U dos autovetores:
U = U
11
U
12
U
21
U
22
= 1 -0,5
0,5 1
Que normalizados a 1 passam a ser escritos da seguinte forma:
0,894 -0,447
0,447 0,894
U
1
U
2
42
Uma rápida verificação mostra que U
1
e U
2
são ortogonais. Isto garante
independência dos eixos principais, ou seja, não há redundância de informações
nas componentes. Esta afirmação pode ser verificada através do produto escalar
dos dois vetores, indicada a seguir:
U
1
U
2
cos
=
U
1
• U
2
•
= 0
Se cos = 0 o ângulo = 90º, ou seja, os eixos são ortogonais.
Os elementos da matriz de autovetores normalizados são os cossenos-
diretores do ângulo
que o novo sistema de eixos, isto é, as Componentes
Principais fazem com o sistema de origem. Então, o ângulo
é dado por:
cos = 0,894 = 26º 33’
O quarto passo é o cálculo das novas coordenadas dos pontos-amostra com
relação ao novo sistema de eixos. Isto é feito utilizando-se a relação:
Y
n,m
• U
m,m
= F
n,
(6)
Onde
F
n,m
é a matriz das coordenadas das n amostras sobre as m Componentes
Principais,
Y
n,m
é a matriz dos dados originais centrados na média e U
m,m
é a matriz
dos autovetores normalizados. Substituindo as grandezas conhecidas na equação
(6) encontramos os seguintes valores para os pontos-amostra:
43
•
0,894 -0,447
0,447 0,894
=
-3,576
-1,341
-1,341
3,129
3,129
0
2,235
-2,235
2,235
-2,235
É importante destacar que não há perda de informações pelas novas coordenadas
com relação aos dados originais. A PCA mantém a inércia dos pontos.
Resta agora verificar graficamente o efeito da Análise de Componentes
Principais sobre os dados experimentais. Para isso, será apresentado um gráfico
(Figura 15) com os dados originais apresentados na Tabela 5, na forma de C2 em
função de C1.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
1
2
3
4
5
6
7
(5)
(4)
(3)
(2)
(1)
Medida da cauda
Comprimento total
Figura 15 – Gráfico sem tratamento estatístico dos dados experimentais, mostrando
a medida da cauda em função do Comprimento total.
Na Figura 15 é difícil perceber se há relação de semelhança entre as
amostras. A seguir, na Figura 16, é apresentado o efeito que a Análise de
Componentes Principais exerce sobre o conjunto de dados experimentais.
-3,2
-2,2
-0,2
1,8
3,8
-1,6
1,4
-2,6
3,4
-0,6
44
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
1
2
3
4
5
6
7
média (5,2 , 2,6)
PC 1
PC 2
= 26
0
33'
(5)
(4)
(3)
(2)
(1)
Medida da cauda
Comprimento total
Figura 16 – Representação gráfica do resultado da Análise de Componentes
Principais sobre os dados experimentais.
Através de uma análise detalhada da Figura 16 é possível perceber o
significado de cada passo no cálculo da PCA. Os autovalores de
S correspondem
ao comprimento dos eixos das Componentes Principais, e estes, por sua vez,
correspondem aos autovetores da matriz
S. Os autovetores são ainda responsáveis
pela definição do ângulo
que o novo sistema de coordenadas perpendiculares,
centrado na média, faz com o sistema original. Pode-se notar também que os novos
pontos-amostra não mudam sua posição com relação ao sistema de coordenadas
antigo. É por isso que é dito que a PCA mantém a inércia dos pontos, ou seja, não
há perda de informações nos cálculos. A dificuldade em correlacionar os dados
experimentais na Figura 15 é minimizada com o uso da PCA. Na Figura 16 é
possível sugerir uma semelhança entre as amostras 4 e 5 (o que não acontece na
Figura 15), pois estas ficam próximas quando observadas com relação à Primeira
Componente Principal, que possui 64,3% das informações necessárias para a
diferenciação entre as amostras.
45
A Análise de Componentes Principais será o método estatístico utilizado na
verificação das respostas elétricas da língua eletrônica quando em contato com as
substâncias de interesse.
46
IV – MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 – MATERIAIS
4.1.1 – Fabricação de novos tipos de sensores
Foi desenvolvido para esta tese um novo tipo de sensor, baseado na
cromeação eletroquímica de pares de trilhas previamente desenhadas sobre placas
utilizadas na construção de circuitos eletrônicos impressos. A motivação para este
desenvolvimento veio da busca por sensores mais baratos, mais simples e mais
robustos do que os encontrados na literatura. Os eletrodos são constituídos por
dois dígitos de cromo metálico com um espaçamento de 0.1 mm entre eles. As
dimensões de cada dígito são
27.25 x 2.40 x 0.04 mm. Numa primeira configuração
cinco pares de dígitos metálicos foram depositados eletroquimicamente sobre
trilhas preparadas por meio de litografia em uma placa de fibra de vidro compondo
um único arranjo sensorial. Para utilizar as duas faces da placa e aumentar o
número de eletrodos no arranjo, uma nova configuração foi desenvolvida. Assim,
dez pares de dígitos metálicos foram depositados, sendo cinco pares de cada lado
da placa, totalizando dez unidades sensoriais. Tanto o arranjo contendo cinco
unidades sensoriais quanto o arranjo contendo dez unidades foram conectados a
um soquete ligado por meio de uma fita
flat cable a um conector DB 25 macho que
fazia a ligação do dispositivo sensor à multiplexadora. A Figura 17 ilustra a placa
contendo o arranjo sensorial com os cinco pares de dígitos, a tampa onde é
encaixado o soquete, a cuba de acrílico onde a amostra líquida é armazenada para
a medida e um esquema em detalhe de uma unidade sensorial.
47
Figura 17 – Esquema do sistema de medidas.
4.1.2 – Substâncias utilizadas na preparação de soluções dos paladares
padrões
Algumas substâncias responsáveis pelos paladares doce, salgado e azedo
foram utilizadas no estudo. A sacarose (C
12
H
22
O
11
) de massa molar 342,30 g/mol
adquirida da Mallinckrodt foi usada para preparar uma solução de paladar doce.
Foram utilizados o cloreto de sódio (NaCl) de massa molar 58,48 g/mol e o cloreto
de potássio (KCl) com 74,5 g/mol, ambos adquiridos da Mallinckrodt, para soluções
de paladar salgado. O ácido clorídrico (HCl), 36,46 g/mol, adquirido da Chemco,
representou o paladar azedo. Não empregamos nenhum material para simular o
paladar amargo. Todos os materiais apresentavam grau analítico de pureza. Água
destilada foi empregada nas medidas elétricas e no preparo de soluções. Soluções
estoque de altas concentrações para cada uma das substâncias descritas foram
preparadas, e a partir dessas, por meio de diluições, soluções de concentrações
mais baixas foram obtidas.
48
4.1.3 – Vinhos utilizados no estudo
Para o estudo de líquidos complexos foram utilizados os vinhos tintos
Cabernet Sauvignon Miolo 2000, Merlot Miolo 2000, Cabernet Sauvignon Embrapa
1999, Cabernet Franc Embrapa 1999 e os vinhos brancos Chardonnay Salton 1999,
Chardonnay Embrapa 1999, Riesling Salton 1998. De acordo com o estudo, foram
utilizadas de duas a três garrafas de cada vinho.
4.1.4 – Soluções com íons de cobre
O metal pesado escolhido para o estudo foi o cobre em sua forma bimetálica
Cu
2+
. Uma solução desta substância foi obtida através da dissolução de sulfato de
cobre penta hidratado (CuSO
4
5H
2
O) de massa molar 249,68 g/mol da Mallinckrodt
em água destilada. Preparou-se uma solução estoque de alta concentração e a
partir desta, por meio de diluições, soluções de concentrações mais baixas foram
obtidas.
4.1.5 – Amostras de água coletadas do meio ambiente
Amostras de água coletadas de diversos rios e lagoas do país foram
analisadas com uma língua eletrônica. Foram estudadas amostras vindas do Rio
Negro, Solimões e Tocantins, Lagoa de Araruama e Irivi no Rio de Janeiro, Lagoa
do Óleo e barragem de Barra Bonita no estado de São Paulo, córregos do
Monjolinho e Pirajú em São Carlos S.P.. Para a Lagoa do Óleo e Córrego do Pirajú
foram realizadas coletas em diferentes pontos dos mesmos. Todas as amostras
foram gentilmente cedidas pelo Prof. Dr. Irineu Bianchini Junior do departamento de
Hidrobiologia da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
49
4.1.6 – Solução polimérica
A POEA utilizada na construção dos filmes automontados (LBL) foi
sintetizada nos Laboratórios da Embrapa Instrumentação Agropecuária (CNPDIA)
seguindo-se o procedimento descrito em [83]. As soluções de POEA para
preparação de filmes automontados foram obtidas determinando-se a massa de
polímero necessária para a concentração desejada. A esta quantidade de massa
foram adicionadas aproximadamente dez gotas de acetona para uma melhor
solubilização e posteriormente, o volume de água necessário. Esta solução ficou
em agitação por dezoito horas, sendo finalmente filtrada em papel de filtro comum.
A concentração escolhida para a solução polimérica de POEA foi de 10
-3
molL
-1
.
Então, como a massa molar do tetrâmero do polímero é de 611 g/mol, para um
volume de 100 mL foi utilizado 0,0611g de polímero. Soluções mais concentradas
apresentam formação de aglomerados, o que inviabiliza o controle do processo de
crescimento de filmes [84]. O ajuste do pH das soluções foi feito adicionando-se
pequenas quantidades de 0,1M de HCl ou O,1M de NH
4
OH.
4.1.7 – Solução de Quitosana
A solução de quitosana foi preparada pela Dra. Rejane C. Goy no Instituto
de Química de São Carlos (IQSC/USP) sob orientação do Prof. Sérgio P.
Campana-Filho. Primeiramente a quitina foi extraída do exoesqueleto de
caranguejo e submetida a uma desacetilação [30], resultando em quitosana com
viscosidade molar média (Mv) de 170000 g/mol e grau de acetilação médio (
DA
)
de 10%. A concentração da solução de quitosana foi de 0,15%.
4.1.8 – Preparação de Nanopartículas de Quitosana
Foram preparados 100mL de uma solução 0,2% de quitosana em ácido
metacrílico 0,5%. Após a preparação a solução de quitosana foi filtrada em
50
membrana de 0,45m e medido o pH (pH 4,0). Na reação de preparação das
nanopartículas a solução de quitosana foi colocada num balão de fundo redondo
em banho-maria a 70
o
C ( 2
o
C) e uma vez atingida essa temperatura, 0,054g de
K
2
S
2
O
8
dissolvido em 5mL de água deionizada foram adicionados. Após 1 hora de
reação, o balão foi colocado em banho de gelo e a suspensão foi armazenada em
geladeira [85]. As nanopartículas de quitosana foram preparadas na Embrapa
(CNPDIA) com a colaboração da Dra. Rejane Celi Goy.
4.1.9 – Solução de Ácido Sulfúrico (H
2
SO
4
) e Peróxido de Hidrogênio (H
2
O
2
)
Esta solução é utilizada para eliminar impurezas das placas de vidro que
possam prejudicar a aderência do filme. Foram preparados 100ml de uma solução
H
2
SO
4
/H
2
O
2
(7:3 v/v). Em 30mL de peróxido (colocado em banho de gelo) foram
adicionados de forma lenta 70mL de ácido sulfúrico. A reação é exotérmica.
4.1.10 – Solução Aquosa de Hidróxido de Amônio (NH
4
OH) e H
2
O
2
O objetivo desta solução é carregar negativamente as placas de vidro de
modo que haja uma aderência eficiente do filme por atração das cargas opostas.
Na preparação dessa solução foram adicionados 14,3mL de peróxido e 14,3mL de
hidróxido de amônio em 71,5mL de água destilada, resultando numa solução de
NH
4
OH/H
2
O
2
/H
2
O (1:1:5 v/v/v).
4.2 - MÉTODOS
4.2.1 – Estudo da interação entre soluções de POEA, Nanopartículas de
Quitosana e Quitosana por espectroscopia UV-Vis.
Este estudo teve como objetivo observar a possibilidade de construção de
filmes LBL mistos, ou seja, filmes gerados pela combinação entre soluções de
POEA, nanopartículas de quitosana e quitosana. Para tanto, anteriormente à
51
fabricação dos filmes mistos, foram realizados ensaios para a investigação da
interação entre as soluções dos diferentes materiais. As concentrações das
soluções de POEA e nanopartículas de quitosana foram de 10
-4
molL
-1
e 0,02%,
respectivamente. A solução de quitosana não necessitou ser diluída por se tratar de
um líquido transparente, e sua concentração foi de 0,15%. Tanto para a
investigação da interação da solução de POEA com nanopartículas de quitosana e
POEA com quitosana foram utilizadas as proporções de 1:0.2, 1:0.5, 1:0.7, 1:1, 1:2,
1:4 e 1:8(v/v).
4.2.2 – Preparação dos filmes de POEA, Nanopartículas de Quitosana e
Quitosana
Para a construção dos filmes ultrafinos foi utilizada uma solução aquosa de
POEA de concentração de 10
-3
molL
-1
nos pHs 3 e 5; solução de quitosana 1,5% em
ácido acético 3%; dispersão de nanopartículas de quitosana preparada conforme
descrito em (4.1.6), na concentração 0,2%. As lâminas de vidro e quartzo sobre as
quais foram depositados os filmes foram primeiramente imersas numa solução de
H
2
SO
4
/H
2
O
2
(7:3 v/v) por 1 hora em ultra-som. Após lavagem com grande
quantidade de água destilada as lâminas passaram para outro banho em ultra-som
utilizando uma solução de NH
4
OH/H
2
O
2
/H
2
O (1:1:5 v/v/v). Essa etapa de limpeza da
superfície do substrato com soluções oxidantes não foi aplicada para os eletrodos
de cromo, sendo estes lavados com água e detergente.
O processo de fabricação dos filmes ultrafinos consistiu nas seguintes
etapas:
i) a lâmina de vidro foi imersa na solução do polímero, ii) enxaguada por 15
segundos em uma solução destinada a retirar o excesso de material não adsorvido
eletrostaticamente, denominada solução de lavagem, que possui pH igual ao da
solução polimérica,
iii) seca com um leve fluxo de nitrogênio gasoso; iv) novamente
52
imersa na solução de polímero, repetindo-se os processos de lavagem e secagem
até a obtenção do número de camadas desejado.
Os tempos mínimos de deposição para cada material polimérico foram
previamente determinados por cinéticas de deposição, na qual o substrato foi
imerso nas soluções dos polímeros desejados por diferentes intervalos cumulativos
de tempo. Inicialmente, as deposições ocorreram com intervalos de tempo de 5
segundos para cada imersão até que se completasse 1 minuto. A partir de então,
os intervalos para as sucessivas imersões foram de 1, 2, 4, 12, 20 e 20 minutos,
totalizando 60 minutos para a cinética. Após cada imersão do substrato foi realizada
uma varredura em um espectrômetro de UV-Vis. Analisando a evolução dos
espectros de absorção para diferentes tempos de imersão, foi determinado o menor
tempo necessário para a deposição do polímero em estudo. Para a POEA o tempo
mínimo para formação da primeira camada foi de 3 minutos e para quitosana e
nanopartículas de quitosana o tempo encontrado foi de 8 minutos.
Utilizando-se dos tempos mínimos de deposição determinados para a
POEA, quitosana, nanopartículas de quitosana e misturas, dez filmes com
diferentes arquiteturas foram fabricados. Abaixo segue a nomenclatura e descrição
de três categorias de filmes.
FILMES PUROS: filme de quitosana, filme de dispersão de nanopartículas de
quitosana, filme de POEA dopada e filme de POEA não dopada;
FILMES ALTERNADOS: filme de POEA dopada alternado com quitosana, filme
de POEA desdopada alternada com quitosana, filme de POEA dopada alternada
com dispersão de nanopartículas e filme de POEA desdopada alternada com
dispersão de nanopartículas;
FILMES DAS MISTURAS: solução de POEA dopada + solução de quitosana,
solução de POEA dopada + dispersão de nanopartículas de quitosana.
53
Filmes da mistura de POEA desdopada com quitosana e POEA desdopada
com nanopartículas de quitosana não foram preparados, pois houve precipitação
quando os materiais foram misturados.
4.2.3 – Espectroscopia Ultra-Violeta Visível (UV-Vis.).
Quando um feixe de luz branca passar através de uma cubeta de vidro
cheia com um líquido, a radiação emergente será menos intensa que a incidente
[86]. A diminuição da intensidade pode ser aproximadamente igual em todo
intervalo de comprimento de onda ou pode apresentar diferente amplitude para
diferentes cores. Essa perda é devida em parte a reflexões nas superfícies e em
parte à dispersão por qualquer partícula em suspensão, mas, acima de tudo, é
devida à absorção da energia radiante pelo líquido. Em soluções límpidas a
dispersão pode ser reduzida a uma pequena quantidade com cuidados comuns. A
amplitude com que a energia é absorvida pelo líquido é geralmente maior para
algumas cores, que constituem a luz branca, que para outras, com o resultado de
que o feixe emergente é colorido. A cor aparente da solução é sempre o
complemento da cor absorvida. Assim uma solução que absorve na região do azul
(de 465 a 480nm) parecerá amarela, a que absorve no verde, cor púrpura e assim
por diante.
A absorção molecular na região no ultravioleta e do visível do espectro
depende da estrutura eletrônica das moléculas. A absorção de energia é
quantizada e conduz à passagem dos elétrons dos orbitais do estado fundamental
para orbitais de maior energia em um estado excitado. Para muitas das estruturas
eletrônicas esta absorção ocorre em uma porção pouco acessível do ultravioleta.
Na prática, a espectrometria no ultravioleta é limitada, na maior parte, aos sistemas
conjugados. Há uma vantagem na seletividade de absorção no ultravioleta: grupos
54
característicos podem ser reconhecidos em moléculas de complexidade bastante
variável [87].
Entre as substâncias inorgânicas, a absorção seletiva pode ser esperada
sempre que um nível de energia eletrônico não preenchido é coberto ou protegido
por um nível de energia completo, geralmente formado por meio de covalências
coordenativas com outros átomos. A absorção seletiva entre os compostos
orgânicos é novamente relacionada a uma deficiência de elétrons na molécula.
Compostos totalmente saturados não mostram absorção seletiva nas regiões do
visível e ultravioleta. Compostos que contêm uma dupla ligação absorvem
fortemente no ultravioleta distante (195nm para o etileno). As duplas ligações
conjugadas produzem absorção a maiores comprimentos de onda. Quanto mais
extenso for o sistema conjugado, mais longos serão os comprimentos de onda onde
se observa a absorção.
Compostos ou polímeros com cadeias hidrocarbônicas saturadas contêm
somente elétrons
. Como a energia necessária para provocar uma transição *
é da ordem de 185kcal/mol, sendo disponível apenas no ultravioleta distante, os
hidrocarbonetos saturados são transparentes nas regiões do ultravioleta próximo e
do visível. Compostos com essas características podem ser usados como solventes
[87].
Já os compostos ou polímeros saturados que contêm heteroátomos como
oxigênio, nitrogênio, enxofre ou halogênios, possuem elétrons não-ligantes
(elétrons n ou p) além dos elétrons
. A transição n* necessita menos energia
do que a transição
*, porém, a maioria dos compostos pertencentes a esta
classe ainda assim não absorvem no ultravioleta próximo. Os compostos que
contêm elétrons
possuem ainda pares de elétrons não ligantes. Os grupos com
elétrons
e n podem sofrer três tipos de transição n*, * e n*. A absorção
55
fraca dos cromóforos isolados na região do ultravioleta próximo se deve à transição
proibida n
* de baixa energia [87].
Com exceção de estruturas aromáticas, muitos polímeros sintéticos não
absorvem na região do ultravioleta. Nestes casos, a detecção de pequenas
quantidades de impurezas que absorvem na região do UV pode ser uma grande
vantagem. Solventes como água, álcoois ou hidrocarbonetos saturados também
não absorvem no UV e, portanto, podem ser utilizados para análises nesta região.
As aplicações se restringem, principalmente, à análise quantitativa e a
identificação de aditivos como corantes, aceleradores, antioxidantes ou
absorvedores de UV. A absorção no ultravioleta pode ser útil para determinar
diretamente insaturações conjugadas em polímeros. Uma reação química
preliminar pode desenvolver grupos funcionais que absorvam na região do
ultravioleta. A absorbância de polímeros purificados é medida em solução de
etanol. Este método é 1000 vezes mais sensível do que a acetilação com anidrido
acético.
O aparelho utilizado nas análises de UV-Vis. foi um Espectrofotômetro
Schimadzu modelo UVPC 2000. As soluções foram colocadas numa cubeta de
quartzo e varridas de 900 a 400nm quando a POEA era o material de interesse e de
900 a 200nm quando a quitosana estava envolvida. Água destilada foi utilizada
como referência. No caso dos filmes, os substratos com os materiais depositados
foram colocados diretamente no porta amostras do espectrofotômetro. Para os
filmes de quitosana e nanopartículas de quitosana o substrato foi uma lâmina de
quartzo, ao invés do vidro, que foi utilizado para os filmes de POEA.
4.2.4 – Microscopia de Força Atômica
O funcionamento do Microscópio de Força Atômica (AFM) baseia-se na
atração ou repulsão de uma sonda ultrafina pela superfície da amostra. Como a
56
força envolvida nesta interação é muito fraca, o sistema de medição deve ser ultra-
sensível. A Figura 18 mostra o esquema básico de um AFM. Com a varredura da
superfície da amostra (considerada aqui como plano X, Y) pelo sistema
piezoelétrico, o cantilever desloca-se na direção do eixo Z (de acordo com a
rugosidade da superfície) e este deslocamento é monitorado por um sistema de
deflexão de laser e fotodiodo.
Figura 18: Ilustração do princípio de funcionamento do AFM.
Forças entre a agulha e a superfície da amostra causam deflexões da haste
flexível, as quais são detectadas através de fotodetector, com a deflexão do feixe
de laser [88]. Os componentes básicos do AFM estão explicados a seguir:
Sistema de varredura – construído com cerâmica piezoelétrica, que é um
dispositivo que se move em escala nanométrica/micrométrica quando uma
voltagem é aplicada entre seus eletrodos.
Sonda – componente que interage com a superfície da amostra, cuja forma
influencia grandemente na resolução da imagem. Elas são normalmente
piramidais, triangulares ou cilíndricas; o ângulo da ponta varia de 15 a 50 graus,
o diâmetro da ordem de dezenas de nanômetros e o comprimento da ponta é
de alguns micrometros.
57
Cantilever – é constituído de uma haste de silício ou nitreto de silício na qual a
sonda permanece presa; tem comprimento de 0,1 a 0,5nm e espessura de
0,5x10
-3
a 5x10
-3
nm. Suas principais propriedades são a constante de mola e a
freqüência de ressonância.
Sistema de controle – controla a altura da sonda com relação à amostra. Esse
controle deve ser muito eficiente, caso contrário, a sonda ou a superfície da
amostra podem ser danificadas [89].
Para as análises de AFM os filmes foram depositados sobre lâminas de
vidro, em tamanho próprio para a análise no microscópio, seguindo-se o
procedimento descrito no item 4.4.2. Os resultados foram obtidos com um
microscópio de força atômica da linha Topometrix - Discoverer modelo TMX 2010
equipado com scanners de 7x7 e 70x 70
m
2
de área de varredura. Utilizou-se o
modo contato de varredura para obtenção das imagens. O conjunto haste-agulha
utilizado foi de nitreto de silício (de formato em “V”). A constante elástica,
k, do
cantilever foi de 0,09
0,02 N/m, nos quais os valores de comprimento das hastes e
do raio da ponta,
R, foram obtidos através da Microscopia Eletrônica de Varredura
(SEM). A umidade do ar ficou em torno de 41% e a temperatura em torno de 25
o
C
[90].
4.2.5 – Tamanho das Nanopartículas de Quitosana
O diâmetro médio das nanopartículas de quitosana foi determinado
utilizando-se um analisador de partículas “FOQELS - Fiber Optical Quase-Elastic
Light Scattering” da Brookhaven Instruments Corporation. O sistema obedece aos
princípios da espectroscopia de correlação de fótons, em que se faz o uso de uma
fibra ótica para incidir o feixe de laser e detectar a intensidade de luz espalhada (
= 532nm, laser de neodímio, = 155º). A suspensão de nanopartículas de
quitosana foi analisada na concentração 0,2%.
58
4.2.6 – Medidas elétricas
O equipamento utilizado para a aquisição dos valores de capacitância
elétrica (parte imaginária da impedância) foi um Analisador de Resposta em
Freqüência e Fase SOLARTRON, modelo 1260, interfaceado a um computador PC
por meio de uma placa GPIB, que permite a obtenção de espectros em uma faixa
de freqüência de 10
Hz a 32 MHz. O equipamento permite ainda a escolha da
amplitude de perturbação, com valores que podem variar de 0 a 3V. O arranjo de
unidades sensoriais foi conectado a uma multiplexadora construída pela Embrapa
Instrumentação Agropecuária (CNPDIA) que controla quantos sensores serão
utilizados e quantos valores de capacitância serão adquiridos por unidade sensorial.
Um microcomputador, por meio de um software especialmente desenvolvido
também pelo CNPDIA, comanda os sinais enviados pelo analisador de impedância
à multiplexadora que os distribuem às unidades sensoriais.
4.2.7 – Procedimento para a coleta de dados da Língua Eletrônica
4.2.7.1 – Procedimento para o estudo das soluções dos paladares
padrões
Foram utilizados volumes de 50 mL de cada uma das soluções analisadas.
Esses volumes foram colocados em uma cuba de acrílico construída especialmente
para o acoplamento do arranjo sensorial. O esquema detalhado do arranjo sensorial
utilizado na coleta dos dados pode ser visualizado no item 4.1.1. Um intervalo de 20
minutos foi aguardado antes de cada medida para estabilização do sistema. Para
cada unidade foram realizadas dez medidas elétricas a uma tensão alternada de 50
mV nas freqüências de 200, 400, 600, 800Hz e 1kHz. Varreduras elétricas também
foram feitas no intervalo de 10Hz a 1MHz aplicando-se a mesma tensão alternada
anterior. O experimento foi realizado a temperatura controlada e para isso todo o
sistema ficou imerso em um banho térmico a uma temperatura de 25ºC. A limpeza
59
do arranjo sensorial após a medida de cada solução foi feita com um jato de água
de uma pisseta contendo água destilada. Entre uma amostra e outra, após a
limpeza com água destilada, o arranjo foi secado com papel absorvente. No início e
ao final de cada experimento foram realizadas medidas em água destilada ou em
uma solução buffer da marca Tec-Lab Hexis Científica pH 7 para a verificação da
reprodução dos dados coletados.
4.2.7.2 – Procedimento para o estudo das soluções de CuSO
4
5H
2
O
Nesse estudo a freqüência de perturbação do sistema foi fixada em 200Hz e
a tensão aplicada em 50mV. Os experimentos para a detecção do cobre em
solução aquosa se dividiram em duas etapas. A primeira para detecção de soluções
de CuSO
4
5H
2
O nas concentrações de 1, 5, 10, 20 e 50x10
-3
molL
-1
, chamadas de
altas concentrações. As unidades sensoriais foram imersas em um volume de 50mL
de cada uma das soluções e as medidas efetuadas após um equilíbrio de 20
minutos. Foram realizadas três coletas de dados para cada concentração não
seguindo uma ordem de repetição para evitar erros sistemáticos. Medidas em água
destilada no início e no final de cada ensaio foram realizadas para verificar se os
eletrodos ficaram contaminados pelo metal e se estavam limpos e aptos para
reutilização. A segunda etapa consistiu na detecção de soluções de concentrações
mais baixas. Um volume de 50mL de água destilada foi colocado na cuba de
acrílico e nesta encaixada a tampa contendo o arranjo sensorial. A temperatura do
sistema foi mantida em 25ºC. Antes da contaminação da água ser iniciada foram
realizadas dez coletas de dados contendo dez medidas elétricas cada uma. Entre
uma coleta e outra um intervalo de tempo de 20 minutos foi aguardado. Após o
período de estabilização foram realizadas contaminações “falsas” na água contida
na cuba, onde apenas volumes conhecidos de água destilada no pH da solução de
cobre (5,8) foram adicionados.
60
Essa simulação de contaminação teve como objetivo a validação dos
resultados para as contaminações “reais”. Nesse último caso, 6 alíquotas das
soluções de CuSO
4
•5H
2
O nas concentrações 10
-5
, 10
-3
e 10
-1
molL
-1
foram
adicionadas. A tabela 6 descreve a concentração das soluções estoque de
CuSO
4
•5H
2
O, os volumes das alíquotas utilizadas na contaminação e a
correspondente concentração do meio contaminado. Após cada uma das adições
um intervalo de tempo de 20 minutos foi aguardado para estabilização do meio. Na
seqüência, os dados elétricos foram coletados. Os volumes das alíquotas utilizadas
nas contaminações falsas e reais foram introduzidos na cuba acrílica por meio de
um orifício na tampa de encaixe do arranjo sensorial. Para isso uma micropipeta
com capacidade volumétrica variável de 5
L a 50L foi utilizada.
Tabela 6 – Descrição das soluções estoque de CuSO
4
•5H
2
O, dos volumes
utilizados para as contaminações e concentração de cobre do volume contaminado.
Concentração
da solução
estoque de
CuSO
4
•5H
2
O
(molL
-1
)
Volume da
alíquota
utilizada na
contaminação
(
L)
Concentração
do volume
contaminado
(molL
-1
)
10
-
5
5 10
-
9
10
-
5
50 10
-
8
10
-
3
5 10
-
7
10
-
3
50 10
-
6
10
-
1
5 10
-
5
10
-
1
50 10
-
4
4.2.7.3 – Procedimento para o estudo dos vinhos
Para a diferenciação dos vinhos o procedimento de medida foi análogo
àqueles adotados para as medidas com soluções de paladares padrões e soluções
61
de CuSO
4
•5H
2
O. Nesse experimento a temperatura do vinho foi mantida em 18ºC
por meio do banho térmico.
4.2.7.4 – Procedimento para o estudo de amostras de águas coletadas
do meio ambiente
No estudo das amostras de águas coletadas do meio ambiente a
temperatura das amostras foi mantida em 25ºC. Foram mantidos os valores de
50mV para a tensão alternada e 200Hz para a freqüência de perturbação do
sistema. O volume de água utilizado nas medidas foi de 50mL. Nesse estudo o
arranjo de eletrodos de cromo utilizado foi o de face simples e sem filme
depositado.
4.2.8 – Montagem do arranjo sensorial
Os ensaios realizados para a diferenciação dos paladares básicos, vinhos e
amostras de água do meio ambiente foram realizados utilizando-se arranjos
constituídos de unidades sensoriais simples (uma única face) e sem filmes. Para as
medidas de detecção de cobre em água foram utilizados dois arranjos sensoriais do
tipo dupla face, denominados conjuntos A e B. Cada um continha dez unidades
sensoriais, cinco em cada face. Para a deposição do material polimérico as
unidades foram desmembradas resultando em cinco unidades de eletrodos dupla
face. Então, duas unidades sensoriais de um mesmo conjunto (frente e verso)
receberam o mesmo tipo de filme. A princípio os conjuntos foram utilizados na
detecção do cobre com suas superfícies limpas, ou seja, sem sofrer deposição de
material polimérico. Em seguida, os diferentes tipos de filmes foram depositados e
novamente os conjuntos foram aplicados na detecção do metal em solução aquosa.
Esse procedimento foi adotado para a comparação das respostas fornecidas pelos
conjuntos quando utilizados limpos (sem filme depositado) e com filmes
62
depositados sobre sua superfície. A tabela 7 mostra o tipo de filme que cada
conjunto recebeu.
Tabela 7 – Descrição dos arranjos sensoriais utilizados na detecção do cobre.
Conjunto
Unidade
sensorial
Tipo de filme depositado
A 1 e 6 POEA pH 3
A 2 e 7 POEA pH 5
A 3 e 8 POEA dopada alternada com quitosana
A 4 e 9 POEA desdopada alternada com quitosana
A 5 e 10 LIMPO
B 1 e 6 Quitosana
B 2 e 7 Nanopartículas
B 3 e 8
POEA dopada alternada com
nanopartículas
B 4 e 9
POEA desdopada alternada com
nanopartículas
B 5 e 10 LIMPO
4.2.9 – Análise dos dados
Para a avaliação das informações obtidas por todas as unidades sensoriais
que compunham a língua eletrônica foi utilizado um método estatístico conhecido
como Análise de Componentes Principais, ou simplesmente PCA (do inglês
“
Principal Component Analysis”) [81], apresentado no Capítulo III.
63
V – LÍNGUA ELETRÔNICA COM ELETRODOS SEM FILME
5.1 – Eletrodos sem filme – Nova tecnologia para sensores
A busca por sensores mais simples, mais robustos e baratos do que os
encontrados na literatura motivou o desenvolvimento de uma nova tecnologia para
os eletrodos que compõem o arranjo sensorial da língua eletrônica. A descrição
completa dos eletrodos está no item 4.1.1. A possibilidade de uso de uma língua
eletrônica sem qualquer material depositado na superfície dos eletrodos colabora
para a inovação da tecnologia já relatada na literatura.
5.1.1 – Testes iniciais com os novos sensores de face simples
O estudo teve como meta inicial verificar a resposta elétrica de cada um dos
cinco eletrodos de face simples, ou seja, de cada uma das cinco unidades
sensoriais que compunham o arranjo. Em função disso, foi utilizada uma solução de
5x10
-3
molL
-1
e 50x10
-3
molL
-1
de NaCl onde o arranjo foi imerso procedendo-se a
coleta dos dados. Curvas de capacitância elétrica versus freqüência foram
construídas aplicando-se um potencial senoidal com amplitude de 50 mV em um
intervalo de 10Hz a 1MHz. Na Figura 19a e 19b o intervalo de freqüência
apresentado no gráfico foi de 10Hz a 10
4
Hz para uma melhor visualização dos
resultados.
64
10
1
10
2
10
3
10
4
0.0
5.0x10
-7
1.0x10
-6
1.5x10
-6
2.0x10
-6
2.5x10
-6
3.0x10
-6
1
2
3
4
5
Capacitância (F)
Log freqüência (Hz)
(a)
10
1
10
2
10
3
10
4
0.0
5.0x10
-7
1.0x10
-6
1.5x10
-6
2.0x10
-6
2.5x10
-6
3.0x10
-6
1
2
3
4
5
Capacitância (F)
Log freqüência (Hz)
(b)
Figura 19 – Curvas de capacitância versus freqüência para cada unidade sensorial.
As amostras foram soluções de NaCl (a) 5x10
-3
mol L
-1
e (b) 50x10
-3
molL
-1
.
Pode-se observar na Figura 19 que cada uma das unidades sensoriais
possui uma curva elétrica própria, apesar de todas apresentarem a mesma
geometria e terem sido construídas da mesma forma. Deve-se ressaltar que
nenhuma das unidades possui material polimérico ou de qualquer outro tipo
depositado em sua superfície. Esta diferença na resposta elétrica se justifica pelo
65
fato de o método de deposição do metal que constitui o eletrodo sobre o substrato
não ser uniforme, ocasionando pequenas diferenças de morfologia entre as
unidades sensoriais. Por se tratar de um método de medida bastante sensível, a
espectroscopia de impedância detecta estas diferenças e as exibem de maneira
clara. Conseqüentemente, a resposta elétrica que o arranjo sensorial fornece pode
ser utilizada como impressão digital para detectar substâncias com diferentes
propriedades em meio líquido. O formato da curva revela que os valores de
capacitância diminuem com o aumento da freqüência e que, comparando as
Figuras 19a e 19b, aumentam para concentrações molares maiores.
Os valores de capacitância podem ser adquiridos em uma única freqüência,
cuidadosamente escolhida de modo que se trabalhe em uma região do espectro,
que forneça boa distinção entre os valores coletados para diferentes soluções em
estudo [53]. Este procedimento facilita não só a aquisição de dados como torna
prática a aplicação tecnológica [91]. A Figura 20 ilustra o valor da capacitância
medida a 200Hz para cada unidade sensorial em soluções de 5x10
-3
molL
-1
dos
paladares salgado (NaCl e KCl), azedo (HCl) e doce (sacarose) a uma temperatura
de 25ºC.
66
1 2 3 4 5
0.0
4.0x10
-5
8.0x10
-5
1.2x10
-4
1.6x10
-4
2.0x10
-4
2.4x10
-4
2.8x10
-4
3.2x10
-4
NaCl
KCl
HCl
Sacarose
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(a)
1 2 3 4 5
1,8x10
-4
2,0x10
-4
2,2x10
-4
2,4x10
-4
2,6x10
-4
2,8x10
-4
3,0x10
-4
3,2x10
-4
NaCl
KCl
HCl
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(b)
Figura 20 – Capacitância de cada unidade sensorial medida na freqüência de
200Hz e 50 mV, para soluções com 5x10
-3
molL
-1
de diferentes paladares a 25ºC.
(a) NaCl, KCl, HCl e sacarose, (b) NaCl, KCl e HCl e (c) sacarose.
67
1 2 3 4 5
4,8x10
-6
5,1x10
-6
5,4x10
-6
5,7x10
-6
6,0x10
-6
6,3x10
-6
6,6x10
-6
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(c)
Figura 20 – Capacitância de cada unidade sensorial medida na freqüência de
200Hz e 50 mV, para soluções com 5x10
-3
molL
-1
de diferentes paladares a 25ºC.
(c) sacarose.
A Figura 20a ilustra a diferença em capacitância para as soluções aquosas
eletrolíticas das substâncias que constituem os paladares (NaCl, KCl e HCl), isto é,
aquelas que se dissociam em meio aquoso originando um cátion e um ânion,
daquele que não se dissocia, a sacarose. Respostas distintas foram obtidas para
todos os paladares estudados, devendo ser chamada a atenção na Figura 20b para
a diferenciação entre as duas substâncias que caracterizam o paladar salgado,
NaCl e o KCl. Mesmo para a sacarose que não se dissocia em meio aquoso foi
possível obter uma curva característica, Figura 20c.
Como já comentado, a partir da Figura 20 nota-se uma curva característica
para cada substância associada a um paladar. Em função disso, foram construídas
curvas de capacitância versus freqüência para os valores obtidos por cada unidade
sensorial a uma freqüência de 200Hz em diferentes concentrações (50 x10
-3
mol L
-1
,
20 x10
-3
mol L
-1
, 10 x10
-3
mol L
-1
e 5x10
-3
mol L
-1
) de NaCl, KCl, HCl e sacarose. A
Figura 21 descreve o resultado.
68
Cada substância associada a um paladar mantém uma curva padrão,
independentemente da concentração utilizada. Isto mostra que o arranjo sensorial
cria uma impressão digital para a substância analisada. É observada grande
diferença no eixo da capacitância da sacarose com relação às outras substâncias.
Nota-se ainda que as unidades sensoriais apresentam valores de capacitância
distintos para cada substância com concentrações iguais. Isto é mais bem ilustrado
na Figura 22, que traz a capacitância de cada unidade sensorial medida a 200Hz
para soluções de NaCl, KCl, HCl e sacarose na concentração de 5x10
-3
mol L
-1
.
Nota-se que uma única unidade sensorial pode fazer a distinção entre as
quatro substâncias utilizadas, mas a utilização em conjunto das outras 4 unidades
aumenta a riqueza de informações sobre o sistema em estudo. Isto está de acordo
com a literatura [53], em que é relatado que a combinação de diferentes unidades
em um único arranjo além de aumentar o poder discriminatório do dispositivo, baixa
o limite de detecção do sistema [55].
69
1 2 3 4 5
2,0x10
-7
3,0x10
-7
4,0x10
-7
5,0x10
-7
6,0x10
-7
7,0x10
-7
8,0x10
-7
9,0x10
-7
50x10
-3
mol L
-1
20x10
-3
mol L
-1
10x10
-3
mol L
-1
5x10
-3
mol L
-1
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(a)
1 2 3 4 5
2,0x10
-7
3,0x10
-7
4,0x10
-7
5,0x10
-7
6,0x10
-7
7,0x10
-7
8,0x10
-7
9,0x10
-7
1,0x10
-6
1,1x10
-6
1,2x10
-6
50x10
-3
mol L
-1
20x10
-3
mol L
-1
10x10
-3
mol L
-1
5x10
-3
mol L
-1
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(b)
Figura 21 – Valores de capacitância medidos na freqüência de 200Hz e 50 mV em
cada unidade sensorial para diferentes concentrações molares (50 x10
-3
mol L
-1
, 20
x10
-3
mol L
-1
, 10 x10
-3
mol L
-1
e 5x10
-3
mol L
-1
) de (a) NaCl e (b) KCl. Temperatura das
amostras para coleta dos dados 25ºC.
70
1 2 3 4 5
2,0x10
-7
4,0x10
-7
6,0x10
-7
8,0x10
-7
1,0x10
-6
1,2x10
-6
1,4x10
-6
1,6x10
-6
1,8x10
-6
50x10
-3
mol L
-1
20x10
-3
mol L
-1
10x10
-3
mol L
-1
5x10
-3
mol L
-1
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(c)
1 2 3 4 5
3,5x10
-9
4,0x10
-9
4,5x10
-9
5,0x10
-9
5,5x10
-9
6,0x10
-9
6,5x10
-9
50x10
-3
mol L
-1
20x10
-3
mol L
-1
10x10
-3
mol L
-1
5x10
-3
mol L
-1
Capacitância (F)
Unidade sensorial
(d)
Figura 21 – Valores de capacitância medidos na freqüência de 200Hz e 50 mV em
cada unidade sensorial para diferentes concentrações molares (50 x10
-3
mol L
-1
, 20
x10
-3
mol L
-1
, 10 x10
-3
mol L
-1
e 5x10
-3
mol L
-1
) de (c) HCl e (d) sacarose. Temperatura
das amostras para coleta dos dados 25ºC.
71
1 2 3 4 5
0,0
5,0x10
-8
1,0x10
-7
1,5x10
-7
2,0x10
-7
2,5x10
-7
3,0x10
-7
3,5x10
-7
Capacitância (F)
Unidade sensorial
NaCl
KCl
HCl
Sacarose
Figura 22 – Capacitância a 200Hz e 50mV para os paladares salgado (NaCl, KCl),
azedo (HCl) e doce (sacarose) na concentração de 5x10
-3
molL
-1
.
5.1.2 – Escolha do intervalo de freqüência
O equipamento utilizado no estudo, um Analisador de Impedância em
Freqüência e Fase Solartron 1260, oferece um intervalo de varredura para
freqüência entre 10
Hz e 1MHz. Foram escolhidas cinco freqüências para a coleta
dos dados, 200Hz, 400Hz, 600Hz, 800z e 1kHz, que estão numa região do espectro
com variação significativa entre os valores de capacitância, como mostra a Figura
23.
De acordo com [92], quando a freqüência tende para valores mais baixos (
f
0) os efeitos do arranjo de espécies ionizadas que se forma na interface
eletrodo-solução, região esta denominada dupla camada elétrica [93], dominam as
respostas do sistema. Já para altas freqüências (
f ) a resposta do sistema é
dominada pela capacitância dos eletrodos.
72
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
0,0
2,0x10
-7
4,0x10
-7
6,0x10
-7
8,0x10
-7
1,0x10
-6
1,2x10
-6
1000Hz
200Hz
Capacitância (F)
Log freqüência (Hz)
Figura 23 – Capacitância versus freqüência. Região onde foram escolhidos os
valores de freqüência utilizados no estudo.
Valores de capacitância elétrica foram coletados nas cinco freqüências
escolhidas para soluções de NaCl, KCl, HCl e sacarose em várias concentrações.
Os dados obtidos em cada freqüência foram avaliados pela PCA e comparados
para verificação do efeito da freqüência sobre os resultados do arranjo sensorial. A
seguir, serão apresentados os resultados para os paladares básicos utilizados,
começando pela sacarose.
5.1.3 – Paladares Básicos
5.1.3.1 – Paladar doce (Sacarose)
Iniciando o estudo para os paladares básicos foram preparadas soluções
nas concentrações de 50, 20, 10, 5, 1x10
-3
mol L
-1
, 1x10
-6
mol L
-1
, 1x10
-9
mol L
-1
e
1x10
-12
mol L
-1
de sacarose caracterizando o sabor doce, e coletados os dados de
capacitância elétrica das cinco unidades sensoriais que compunham o arranjo nas
freqüências de 200Hz, 400Hz, 600Hz, 800Hz e 1kHz. A Tabela 8 mostra os valores
de capacitância a 200Hz para uma solução de sacarose de 50x10
-3
mol L
-1
,
utilizados na análise de componentes principais.
73
Tabela 8 – Valores de capacitância obtidos com 5 unidades sensoriais a 200Hz
para uma solução de sacarose de 50x10
-3
mol L
-1
. Temperatura da solução 25ºC.
Unidade
sensorial
1 2 3 4 5
Valores de
capacitância (F)
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.10E-09 5.61E-09
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.61E-09
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.61E-09
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.60E-09
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.60E-09
4.97E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.10E-09 5.59E-09
4.97E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.60E-09
4.98E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.60E-09
4.97E-09 3.89E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.59E-09
4.97E-09 3.73E-09 4.00E-09 5.11E-09 5.60E-09
A Figura 24 mostra a análise de componentes principais dos dados
coletados por cada uma das unidades sensoriais para as concentrações de 50, 20,
10, 5 e 1x10
-3
mol L
-1
nas freqüências de 200Hz e 1kHz. O arranjo de 5 eletrodos foi
capaz de distinguir as diferentes concentrações de sacarose, apesar de esta
substância não gerar grande quantidade de íons dissociados na água. Obteve-se
uma boa pontuação na primeira componente principal, 79,6% em média, para todas
as freqüências estudadas. Houve também um aumento na dispersão dos dados de
capacitância elétrica para todas as concentrações com o aumento da freqüência,
sendo 200Hz a freqüência que apresentou menor dispersão e 1 kHz a que
apresentou maior. Por meio destes resultados pode-se sugerir que a freqüência de
200Hz fornece, para as concentrações apresentadas, o melhor poder de resolução,
ou seja, uma distinção entre as concentrações de sacarose com a maior margem
de segurança, haja vista o ocorrido a 1kHz, onde as concentrações de 10x10
-3
molL
-1
e 20x10
-3
molL
-1
ficaram misturadas.
74
f = 200 Hz
f = 1kHz
Figura 24 - Análise de componentes principais sobre os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5 e 1x10
-3
molL
-1
com
amplitude de voltagem de 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz. Temperatura
das soluções 25ºC.
A Figura 24 demonstra ainda que uma seqüência ordenada de diluição das
soluções foi percebida pelo arranjo, sendo 50x10
-3
molL
-1
a concentração mais à
75
direita, com relação à primeira componente principal, seguida por 20x10
-3
molL
-1
e
10x10
-3
molL
-1
. De acordo com esta afirmação, as concentrações de 5x10
-3
molL
-1
e
1x10
-3
molL
-1
inverteram suas posições. Isto pode estar relacionado ao fato de não
haver grandes diferenças entre o sinal elétrico provocado por 5x10
-3
molL
-1
e 1x10
-3
molL
-1
para a solução de sacarose. Informações que não foram consideradas pela
primeira componente principal foram utilizadas na segunda componente principal,
com diferença significativa entre as duas concentrações, tornando possível a
diferenciação.
As soluções de concentrações mais diluídas também foram analisadas pelo
arranjo. A Figura 25 descreve o resultado para as concentrações de 1x10
-6
molL
-1
,
1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
e água destilada para as freqüências de 200Hz e
1kHz. Os aglomerados nomeados
água 1 e água 2 referem-se às medidas
realizadas em água destilada antes e após o experimento. Esta repetição visava a
verificar se ao término de uma série de medidas o arranjo voltaria reproduzir os
dados iniciais em água destilada. O dado mais relevante da Figura 25 é que a
diferença entre as duas amostras de água pura é até maior do que para algumas
concentrações de sacarose, o que provavelmente aponta para o fato de a língua
não ser capaz de distinguir soluções com concentrações tão baixas (1nM ou 1pM).
De fato, há outras evidências de que não é possível detectar concentrações abaixo
de 1
M de sacarose. Na Figura 25 aparecem apenas os dados coletados a 200Hz
e 1kHz, mas a dispersão dos dados com aumento da freqüência também ocorreu
para valores intermediários de freqüência. Mesmo em 200Hz, a variância alcançada
para a primeira componente principal é muito baixa (52,54%), sem garantia de que
o arranjo fez distinção entre as pequenas concentrações e entre a água com uma
margem de segurança confiável. Para a análise de componentes principais dos
dados coletados a 1kHz o resultado não foi melhor, apesar de o valor alcançado
76
pela primeira componente ser maior, 77,04%. Este aumento foi provocado pela
maior dispersão dos dados a essa freqüência.
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 25 – Análise de componentes principais para as concentrações de 1x10
-6
mol L
-1
, 1x10
-9
mol L
-1
, 1x10
-12
mol L
-1
de sacarose e água destilada. Tensão 50mV.
Temperatura das soluções 25ºC.
A conclusão de que o dispositivo foi utilizado acima de sua capacidade de
detecção, ou seja, as concentrações das soluções utilizadas ultrapassaram o limite
77
de detecção do arranjo sensorial, será corroborada por medidas de controle, em
que é adicionada água em água, a serem apresentadas na seção 5.1.5.
5.1.3.2 – Paladar salgado (NaCl e KCl)
Na seqüência de estudo dos paladares básicos foram preparadas soluções
de cloreto de sódio nas concentrações de 50, 20, 10, 5, 1x10
-3
molL
-1
, 1x10
-6
molL
-1
,
1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
caracterizando o paladar salgado, e coletados os
dados de capacitância elétrica para as cinco unidades sensoriais nas freqüências
de 200Hz, 400Hz, 600Hz, 800Hz e 1kHz. Comparando os valores de capacitância
para a sacarose e para o NaCl pode-se perceber uma diferença de duas ordens de
grandeza entre eles, 10
-9
para a sacarose e 10
-7
para o NaCl. Esta diferença é
devida ao fato de o NaCl se dissociar em meio aquoso fornecendo um cátion (Na
+
)
e um ânion (Cl
-
). Desse modo, cargas a serem armazenadas passam a existir.
Estas cargas provocam aumento na capacitância do sistema. A Figura 26 mostra a
PCA para todas as concentrações preparadas a 200Hz e 1kHz, que resumem o
ocorrido nas demais freqüências.
Houve separação das soluções em todas as freqüências, seguindo uma
seqüência ordenada de diluição quando observado o resultado através da primeira
componente principal. À esquerda permaneceu a maior concentração, 50x10
-3
molL
-1
, seguida por 20x10
-3
molL
-1
, 10 x10
-3
molL
-1
, 5 x10
-3
molL
-1
e 1 x10
-3
molL
-1
. A
variância armazenada pela primeira componente principal para as freqüências
analisadas ficou em torno de 99,56%, ou seja, praticamente toda a informação
necessária para a distinção entre as amostras está concentrada no primeiro eixo
fatorial.
78
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 26 - Análise de componentes principais sobre os dados coletados pelo
arranjo de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5, 1x10
-3
molL
-1
, 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
de NaCl e tampão nas para uma tensão de
50mV freqüências de 200Hz e 1KHz. Temperatura das soluções 25ºC.
Um pequeno aumento no valor alcançado pela primeira componente é
observado com o aumento da freqüência. Como no caso da sacarose, o aumento
79
da freqüência de perturbação do sistema provocou pequena dispersão dos dados
coletados, pouco visível para as concentrações mais altas, o que acabou
colaborando para o incremento da variância nas freqüências mais elevadas. O fato
descrito ficará evidente quando forem apresentadas as análises feitas para as
concentrações mais baixas.
Nesse experimento a água destilada utilizada para a verificação da
reprodução dos valores de capacitância coletados no início e ao final dos ensaios
foi substituída por uma solução tampão comercial. Este resultado está representado
na Figura 26 por
ref 1 e ref 2, designando respectivamente, referência 1 à amostra
medida no início do ensaio e referência 2 àquela analisada ao final. Pelo
posicionamento de
ref 1 e ref 2 no plano gerado pela PCA pode-se considerar o
resultado proposto satisfatório. As menores concentrações salinas utilizadas (1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
) ficaram agrupadas no mesmo local do plano
da PCA, sugerindo que arranjo não apresentou resolução suficiente para diferenciá-
las. A análise destas concentrações deve ser feita separadamente das demais, pois
a grande diferença de concentração de NaCl reflete diretamente na intensidade do
sinal elétrico fornecido pelas unidades sensoriais. Como a discrepância entre as
capacitâncias para as maiores e as menores concentrações é de duas ordens de
grandeza, a análise de componentes principais acabou por agrupar todas as
concentrações menores do que 10
-6
molL
-1
no mesmo ponto, visto que estes
valores de capacitância são realmente muito parecidos, da ordem de 10
-9
F,
enquanto que para as demais concentrações os valores variam entre 10
-7
F e 10
-8
F.
A seguir são apresentadas as análises de componentes principais para as
concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
nas freqüências anteriormente
mencionadas. Para a PCA realizada com os dados das concentrações mais altas
de NaCl, Figura 26, observa-se leve dispersão dos valores de capacitância com o
80
aumento da freqüência. Já na Figura 27 fica evidente a queda de qualidade dos
dados coletados para as baixas concentrações com o aumento da freqüência. Pode
ser visto que a freqüência de 200Hz fornece valores com menor dispersão do que
em 1kHz. A PCA para os dados coletados na menor freqüência possui 99,8% das
informações disponíveis para a diferenciação quando somadas a primeira e a
segunda componentes principais. Sozinha, a primeira componente agregou 65,35%
da variância total, um valor baixo apesar da separação entre as concentrações
observada no gráfico. Isto indica que, como no caso da sacarose, o arranjo
sensorial foi submetido a uma tarefa que ultrapassou sua capacidade de detecção.
A baixa dispersão entre os valores de capacitância elétrica coletados a
200Hz para uma dada concentração resultou na separação gráfica observada. Na
PCA realizada para os dados coletados a 1kHz observa-se o máximo de dispersão
dos dados para as freqüências estudadas. O valor alcançado para a soma da
primeira com a segunda componente principal foi de 62,92% da variância total,
quase o mesmo valor alcançado somente pela primeira componente da PCA
realizada para 200Hz. Este fato tornou impossível a diferenciação entre as
concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de NaCl quando analisadas a
1kHz.
Por meio destes experimentos para o NaCl ficou evidenciado que
para concentrações até 1x10
-6
molL
-1
tanto 200Hz quanto 1kHz
apresentaram resultados satisfatórios na diferenciação das soluções. Já
para o caso das concentrações menores do que 1x10
-6
molL
-1
nenhuma das
freqüências utilizadas apresentou resultado satisfatório na diferenciação.
81
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 27 - Análise de componentes principais para os dados coletados pelo arranjo
de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de NaCl a
uma tensão de 50mV nas freqüências de 200Hz e 1KHz. Temperatura das soluções
25ºC.
Mais uma substância que caracteriza o paladar salgado foi utilizada, o
cloreto de potássio (KCl). Soluções deste sal foram preparadas nas concentrações
82
de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
. Da mesma maneira que nos estudos anteriores,
foram coletados valores de capacitância elétrica nas freqüências de 200Hz, 400Hz,
600Hz, 800Hz e 1kHz. A seguir serão apresentadas as análises de componentes
principais para capacitâncias a 200Hz e 1kHz, pois estas duas freqüências
resumem o ensaio realizado.
A Figura 28 permite observar que as duas freqüências apresentadas podem
ser aplicadas na diferenciação das concentrações estudadas, pois nos dois casos o
valor agregado pela primeira componente principal chegou praticamente a 100% da
variância total. Este valor indica que a distinção apresentada entre os diferentes
grupos exibe alta confiabilidade de acerto. Como no estudo do NaCl, pode ser
observado que ocorreu leve dispersão dos valores de capacitância entre os
elementos de um mesmo grupo com o aumento da freqüência (1kHz), o que não
atrapalhou o poder discriminatório do dispositivo para as concentrações utilizadas.
Esta pequena dispersão causou um incremento na variância da primeira
componente principal na PCA de 1kHz.
83
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 28 - Análise de componentes principais para os dados coletados pelo arranjo
de sensores para as concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
de KCl a uma
tensão 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz. Temperatura das soluções 25ºC.
5.1.3.3 – Paladar azedo (HCl)
Finalizando o estudo para os paladares básicos foi utilizado o ácido
clorídrico (HCl) para caracterizar o sabor azedo. Soluções de HCl foram preparadas
84
nas concentrações de 50, 20, 10, 5, 1x10
-3
molL
-1
, 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e
1x10
-12
molL
-1
e coletados os dados de capacitância elétrica para as cinco unidades
sensoriais nas freqüências de 200Hz, 400Hz, 600Hz, 800Hz e 1kHz. Todos os
valores de capacitância elétrica para as concentrações estudadas foram avaliados
pela análise de componentes principais. A seguir serão apresentadas as análises
para os valores de capacitância obtidos a 200Hz e 1kHz.
A Figura 29 mostra que para as concentrações até 1x10
-3
molL
-1
todas as
freqüências estudadas forneceram dados satisfatórios para uma diferenciação
segura entre as soluções. É importante destacar que o valor capturado apenas pela
primeira componente principal em todos os casos foi, em média, 99,87% da
variância total. Isto indica que os sinais elétricos caracterizaram muito bem cada
uma das soluções estudadas. Foi observado também um incremento na variância
da primeira componente principal conforme a freqüência foi sendo aumentada. Isto,
como para as substâncias já estudadas, pode estar relacionado a um leve aumento
na dispersão dos dados, pouco percebido graficamente, mas sentido pelos eixos
fatoriais.
Outro acontecimento revelado pelas PCAs foi a discreta variação na
distância de separação entre a concentração de 1x10
-3
molL
-1
e o conjunto 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
em função da freqüência. Pode ser observada
uma distância maior entre a concentração de 1x10
-3
molL
-1
e o conjunto na
freqüência de 200Hz. O fato de que a coleta de dados na freqüência de 200Hz
pode estar fornecendo os valores de capacitância com menor dispersão e que
melhor caracterizam as soluções analisadas será visto de forma mais clara no
estudo realizado com as menores concentrações.
85
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 29 - Análise de componentes principais para os dados coletados pelo arranjo
de sensores para as concentrações de 50, 20, 10, 5 e 1x10
-3
molL
-1
e 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de HCl a uma tensão de 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz.
Temperatura das soluções 25ºC.
As soluções de concentrações 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
ficaram agrupadas no mesmo ponto do plano das PCAs da Figura 29. Isto se deve
86
à grande diferença entre os valores de capacitância coletados para as
concentrações que vão até 10
-3
molL
-1
(10
-6
, 10
-7
F) e aquelas menores que 10
-6
molL
-1
(10
-9
F). Quando estas grandezas são comparadas em conjunto, os menores
valores ficam agregados num mesmo local. Por isso, eles devem ser analisados
separadamente.
Diferentemente do ocorrido nas análises de componentes principais para as
concentrações mais elevadas de HCl apresentadas na Figura 29, onde todas as
freqüências forneceram resultados satisfatórios para a separação entre as
concentrações, a Figura 30 mostra que nenhuma das freqüências ofereceu uma
separação segura entre as amostras para concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
. Mesmo na freqüência de 200Hz, onde há uma separação entre os
aglomerados que caracterizam as diferentes concentrações, também é observada
grande dispersão dos pontos de cada aglomerado. Para o HCl também ocorreu
dispersão dos valores de capacitância com o aumento da freqüência, como pode
ser observado a 1kHz, onde a variância acumulada pelas duas primeiras
componentes atingiu apenas 67,64% da variância total.
Nas análises de componentes principais para as concentrações abaixo de
1x10
-6
molL
-1
foram incluídos valores de capacitância coletados em água destilada.
A seguir, na Figura 31, são mostrados os resultados para os valores obtidos a
200Hz e 800Hz. Valores de capacitância também foram coletados nas freqüências
de 400Hz, 600Hz e 1kHz, e todos os resultados são semelhantes aos de 200Hz e
800Hz.
87
f = 200Hz
f = 1kHz
Figura 30 - Análise de componentes principais para os dados coletados pelo arranjo
de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
e 1x10
-12
molL
-1
de HCl a uma
tensão de 50mV nas freqüências de 200Hz e 1kHz. Temperatura das soluções
25ºC.
Nota-se na Figura 31 grande dispersão dos dados já em 200Hz e um
pequeno valor agregado para a primeira componente principal, 63,88% da variância
total, impossibilitando o reconhecimento das concentrações analisadas. O valor
88
acumulado pelas duas primeiras componentes para a freqüência de 800Hz foi de
apenas 50,70% da variância total, sendo a primeira componente responsável por
27,49% da soma. Nessa freqüência, em função da grande dispersão dos dados, as
concentrações ficaram misturadas, impossibilitando a separação entre elas.
f = 200Hz
f = 800Hz
Figura 31 - Análise de componentes principais para os dados coletados pelo arranjo
de sensores para as concentrações de 1x10
-6
, 1x10
-9
, 1x10
-12
molL
-1
de HCl e água
destilada a 50mV nas freqüências de 200Hz e 800Hz. Temperatura das soluções
25ºC.
89
5.1.4 – Diferenciando os paladares
Os resultados apresentados indicaram que o arranjo de cinco unidades
sensoriais face simples foi eficiente na detecção das concentrações em solução
aquosa de algumas substâncias que caracterizam os paladares básicos. Até aqui,
os resultados com as substâncias que caracterizam os paladares foram
apresentados isoladamente. A seguir, serão exibidas as análises feitas para a
diferenciação entre paladares em diferentes concentrações e freqüências. A Figura
32 mostra resultados para a concentração de 50x10
-3
molL
-1
de NaCl, KCl, HCl e
sacarose na freqüência de 200Hz, pois tanto 200Hz quanto 1kHz forneceram
valores de capacitância satisfatórios para a separação entre os paladares. Observa-
se que as substâncias que caracterizam o paladar salgado (NaCl e KCl) foram
diferenciadas. É possível separar os paladares somente com a primeira
componente principal, desprezando-se a segunda componente, em função da alta
variância agregada por esse eixo, 99% da variância total.
De acordo com as capacitâncias elétricas fornecidas a 200Hz para os
paladares na concentração de 50x10
-3
molL
-1
, os valores médios podem ser
organizados em ordem decrescente, sendo 14,10x10
-7
F para o HCl, 10,06x10
-7
F
para o KCl, 6,75x10
-7
F para o NaCl e 4,71x10
-9
F para a sacarose. Da esquerda
para a direita esta é a ordem apresentada pela PCA na Figura 32, indicando que a
substância que causa o maior sinal elétrico é o HCl, seguido pelo KCl, NaCl e por
último pela sacarose que não forma eletrólito. O mesmo estudo de diferenciação
entre os paladares foi realizado para as concentrações de 20 e 10x10
-3
molL
-1
,
sendo igualmente satisfatórios os resultados para os dois casos.
90
f =200Hz
f = 200Hz – Visualização através de PC1
Figura 32 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre os
paladares azedo (HCl), salgado (NaCl e KCl) e doce (sacarose) na concentração de
50x10
-3
molL
-1
a 50mV na freqüência de 200Hz. A PCA também é apresentada
utilizando-se apenas a primeira componente principal.
Foi observada uma dificuldade na diferenciação entre o HCl e o KCl para a
concentração de 5x10
-3
molL
-1
. A Figura 33 retrata o resultado, com o HCl e o KCl
ocupando praticamente a mesma posição no plano da PCA para 200Hz,
91
permanecendo distantes do NaCl e da sacarose. O valor médio de capacitância
elétrica obtido pelas cinco unidades sensoriais para 5x10
-3
molL
-1
de HCl a 200Hz
foi de 2,52x10
-7
F, ficando em 2,50x10
-7
F o valor médio para o KCl nas mesmas
condições. Este resultado levantou duas suspeitas: a primeira sugere que o arranjo
pode não ter sido sensível o suficiente para diferenciar HCl do KCl na concentração
estudada, e a segunda indica que em função dos valores da sacarose serem de
duas a três ordens de grandeza menores do que os valores do HCl e do KCl, a PCA
acabou agrupando os paladares azedo e salgado.
Para a verificação da primeira hipótese, foi realizada uma análise de
componentes principais dos dados coletados a 200Hz para o HCl e o KCl. A Figura
34 descreve o resultado, indicando a possibilidade de separação. Deve ser
chamada a atenção para a variância agregada pela primeira componente principal,
81,37% da variância total. Este valor não pode ser considerado satisfatório se
comparado à variância da primeira componente principal dos gráficos que
descrevem os resultados para as concentrações de 50x10
-3
molL
-1
, que, em média,
agregaram 99,28% da variância total. A separação entre as amostras ocorreu, mas
com baixo nível de confiança. Portanto, as duas hipóteses sugeridas podem ser
consideradas neste caso. A primeira, de que o arranjo de unidades sensoriais pode
não ter apresentado sensibilidade suficiente para diferenciar as amostras na
concentração de 5x10
-3
molL
-1
a 200Hz, e a segunda, que em função da
discrepância entre os valores do HCl e do KCl para a sacarose a PCA os agrupou,
aumentando a impressão de falta de sensibilidade. Estes resultados indicam que os
valores de capacitância foram coletados bem próximos do limite de resolução do
dispositivo.
92
f = 200Hz
Visualização através de PC1
Figura 33 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre os
paladares azedo (HCl), salgado (NaCl e KCl) e doce (sacarose) na concentração de
5x10
-3
molL
-1
a 50mV para a freqüência de 200Hz. A Figura também apresenta uma
visualização utilizando-se apenas a primeira componente principal. Temperatura
das soluções 25ºC.
93
Figura 34 – Análises de componentes principais mostrando a diferenciação entre o
HCl e o KCl na concentração de 5x10
-3
molL
-1
a 200Hz.
Na Figura 35, foram colocadas na mesma PCA as concentrações de 50, 20,
10 e 5x10
-3
molL
-1
de HCl, KCl, NaCl e sacarose. Como relatado anteriormente, por
não formar eletrólito a sacarose apresenta valores de capacitância de duas a três
ordens de grandeza menores do que as outras substâncias. Por isso, observa-se
que todas as concentrações utilizadas para a sacarose ficaram agrupadas no
mesmo ponto quando comparadas às demais substâncias. Nota-se também que as
amostras foram agrupadas em função de suas concentrações iônicas.
94
f = 1kHz
f =1kHz – Visualização através de PC1
Figura 35 – Análises de componentes principais a 50mV em 1KHz para HCl, KCl,
NaCl e sacarose nas concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
. A Figura também
apresenta uma visualização utilizando-se apenas a primeira componente principal.
Temperatura das soluções 25ºC.
95
5.1.4.1 – Reprodutibilidade dos resultados
De acordo com [7] respostas estáveis e reprodutíveis são essenciais para
cada unidade sensorial de um arranjo. Como as concentrações de um determinado
paladar utilizadas no estudo foram preparadas em um mesmo dia através de
diluições de um estoque, foi verificada a reprodução das respostas fornecidas pelo
arranjo sensorial em diferentes dias escolhendo-se o NaCl para a repetição das
análises. Foram realizados três experimentos com soluções de NaCl nas
concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
. O segundo experimento se deu 50
dias após o primeiro e o terceiro experimento 7 dias após o segundo. Os resultados
das análises de componentes principais sobre as concentrações de NaCl para os
diferentes dias nas freqüências de 200Hz e 1kHz podem ser vistos nas Figuras 36 e
37.
A Figura 36a mostra a boa reprodução dos dados fornecidos pelo arranjo de
5 unidades sensoriais para as soluções de NaCl na freqüência de 200Hz. O bom
resultado é garantido pelo alto valor alcançado pela primeira componente principal,
94,99% da variância total. É possível, portanto, utilizar apenas PC1 para separar as
concentrações, como mostra a Figura 36b. A variância agregada pelo segundo eixo
fatorial, 3,34% da variância total, não compromete o resultado e pode ser
relacionada a dispersões esperadas em análises experimentais, como pequenas
variações da temperatura das soluções, diferença na água destilada e nos volumes
utilizados nas diluições, etc.
96
(a)
(b)
Figura 36 – Avaliação da reprodução dos valores obtidos a uma tensão de 50mV
em 200Hz para as concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
de NaCl estudadas
em diferentes dias designados por experimento 1 (exp 1), experimento 2 (exp 2) e
experimento 3 (exp 3). (a) Plano da PCA e (b) Visualização através de PC1.
Temperatura das soluções 25ºC.
97
Deve ser mencionado que foram utilizadas três diferentes soluções estoque de
50x10
-3
molL
-1
, o que também pode ter colaborado para a dispersão dos resultados
apresentada pela segunda componente. Para as análises feitas a 1kHz o resultado
foi tão satisfatório quanto a 200Hz, sendo que os mesmos comentários podem ser
aplicados.
Os três experimentos realizados com o NaCl na concentração de 50x10
-3
molL
-1
foram analisados juntamente com os demais resultados das outras
substâncias responsáveis pelos paladares utilizadas no estudo, ou seja, foram
adicionados mais dois conjuntos de dados referentes ao NaCl 50x10
-3
molL
-1
. A boa
reprodução dos valores para este sal nos três experimentos pode ser observada
mesmo em conjunto com as outras substâncias, como mostra a Figura 37. Pode-se
ainda observar que os ensaios com 50x10
-3
molL
-1
de NaCl formaram um grupo
afastado do 50x10
-3
molL
-1
de KCl, mostrando a diferenciação entre os dois sais.
98
(a)
(b)
Figura 37 – Análises de componentes principais a 1kHz para HCl, KCl, sacarose
nas concentrações de 50, 20, 10 e 5x10
-3
molL
-1
e três experimentos de NaCl na
concentração de 5x10
-3
mol L
-1
. (a) Visualização do plano da PCA e (b) visualização
utilizando-se apenas a primeira componente principal. Temperatura das soluções
25ºC.
99
5.1.5 – Limite de detecção do arranjo sensorial
A fim de provar que a sensibilidade cruzada obtida com o arranjo de
unidades sensoriais sem filme poderia ser útil na diferenciação de amostras com
baixo limite de detecção, foi realizada uma série de experimentos, incluindo
experimentos de controle, para a detecção de substâncias. Para isso, foi testada a
habilidade de detecção do arranjo sensorial para concentrações que variaram de
10
-9
molL
-1
a 10
-3
molL
-1
para o CuSO
4
5H
2
O. A Figura 38 resume o experimento
onde ocorreram contaminações chamadas “falsas” e as contaminações verdadeiras
com o metal. Como resultado para o ensaio foi apresentado o estudo de apenas
uma das unidades sensoriais que compunham o arranjo, visto que o
comportamento das demais foi semelhante. Após a estabilização do sistema, que
corresponde à medida de número 31, os volumes de água pura e solução aquosa
de cobre foram adicionados. Das figuras nota-se que a primeira concentração de
cobre a ser detectada com segurança foi a de 10
-6
molL
-1
, visto que as
concentrações de 10
-9
molL
-1
, 10
-8
molL
-1
e 10
-7
molL
-1
ainda se confundem com a
oscilação dos dados elétricos coletados para a água. Além disso, a partir dos
valores de capacitância elétrica coletados por todas as unidades sensoriais para as
contaminações verdadeiras, foram realizadas PCAs para a verificação do resultado.
100
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1 11 21 31
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-9 mol/L
adição de água
(a)
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1 11 21 31
Número de medidas
Capacitância (F0
Cu2+ 10E-8 mol/L
adição de água
(b)
Figura 38 – Comparação entre contaminações verdadeiras (adições de volumes
aquosos de CuSO
4
5H
2
O) e contaminações falsas (adições de volumes de água)
para verificação do limite de detecção. Concentrações dos volumes contaminados:
(a) 10
-9
molL
-1
e (b) 10
-8
molL
-1
. Tensão alternada 50mV e freqüência 200Hz.
Temperatura 25ºC.
101
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1 11 21 31
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-7 mol/L
adição de água
(c)
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1 11 21 31
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-6 mol/L
adição de água
(d)
Figura 38 – Comparação entre contaminações verdadeiras (adições de volumes
aquosos de CuSO
4
5H
2
O) e contaminações falsas (adições de volumes de água)
para verificação do limite de detecção. Concentrações dos volumes contaminados:
(c) 10
-7
molL
-1
, (d) 10
-6
molL
-1
. Tensão alternada 50mV e freqüência 200Hz.
Temperatura 25ºC.
102
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1 11 21 31
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-5 mol/L
adição de água
(e)
0,00E+00
2,00E-11
4,00E-11
6,00E-11
8,00E-11
1,00E-10
1,20E-10
1,40E-10
1 11 21 31 41
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-4 mol/L
adição de água
(f)
Figura 38 – Comparação entre contaminações verdadeiras (adições de volumes
aquosos de CuSO
4
5H
2
O) e contaminações falsas (adições de volumes de água)
para verificação do limite de detecção. Concentrações dos volumes contaminados:
(e) 10
-5
molL
-1
e (f) 10
-4
molL
-1
. Tensão alternada 50mV e freqüência 200Hz.
Temperatura 25ºC.
103
0,00E+00
5,00E-10
1,00E-09
1,50E-09
2,00E-09
2,50E-09
3,00E-09
3,50E-09
4,00E-09
1 11 21 31 41
Número de medidas
Capacitância (F)
Cu2+ 10E-3 mol/L
adição de água
(g)
Figura 38 – Comparação entre contaminações verdadeiras (adições de volumes
aquosos de CuSO
4
5H
2
O) e contaminações falsas (adições de volumes de água)
para verificação do limite de detecção. Concentração do volume contaminado: (g)
10
-3
molL
-1
. Tensão alternada 50mV e freqüência 200Hz. Temperatura 25ºC.
A Figura 39a mostra que em função da diferença na ordem de grandeza dos
valores de capacitância para a concentração de 10
-3
molL
-1
e as demais, esta última
ficou isolada no plano da PCA, causando a não diferenciação entre as outras
concentrações e a água. Esse fato gerou para a primeira componente principal um
valor de 99,98% de variância. Na Figura 39b a concentração de 10
-3
molL
-1
foi
retirada da análise, propiciando uma observação da diferenciação entre as
amostras aquosas contaminadas com cobre. Deve ser destacado que a
concentração de 10
-6
molL
-1
foi (Figura 38d), dentre as menores concentrações
estudadas, a que mais se distanciou do grupo das amostras de água ultrapura,
levando a crer que esse seria o limite de detecção do arranjo. Nesse último caso, o
valor agregado pela primeira componente principal foi de 75,45% de variância, um
valor menor do que aquele apresentado na Figura 39a, quando a concentração de
10
-3
molL
-1
fazia parte da análise. Essa queda deveu-se à semelhança entre os
valores de capacitância para as concentrações analisadas. É observada também
104
uma diferenciação entre os conjuntos de água medidos na estabilização do
sistema. É sabido que a água sofre um efeito de envelhecimento ao ficar exposta
ao meio ambiente, em função da difusão do dióxido de carbono. Esse efeito altera o
valor do pH da água, sendo essa alteração sensivelmente percebida pelas medidas
elétricas.
A explicação para a alta sensibilidade do arranjo sensorial pode residir numa
forte dependência das propriedades elétricas da superfície entre o líquido e o meio
próximo à interface. Isso é semelhante ao encontrado em [94], onde é afirmado que
as medidas do seio da solução não seriam suficientes para detectar impurezas na
água como seriam as medidas de superfície. Neste contexto, medidas de
espectroscopia de força foram coletadas por um microscópio de força atômica
(AFM) para a comprovação do envelhecimento da água exposta ao ar ambiente. A
Figura 40a ilustra uma típica curva de força obtida em água sobre uma superfície
de mica (pH
7), mostrando a presença de interações de van der Waals para
tempos de exposição menores do que uma hora [95].
105
(a)
(b)
Figura 39 – Análise de componentes principais para as contaminações de cobre
feitas em água ultrapura. (a) concentrações das soluções contaminadas com cobre:
10
-3
molL
-1
, 10
-4
molL
-1
, 10
-5
molL
-1
e 10
-6
molL
-1
e amostras de água ultrapura. (b)
concentrações das soluções contaminadas com cobre: 10
-4
molL
-1
, 10
-5
molL
-1
e 10
-6
molL
-1
e amostras de água ultrapura.
106
0 100 200 300 400 500 600 700 800
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Force (nN)
Sample Displacement (nm)
Approach curve
Withdrawal curve
van der W aals interaction
t' < 1h
(a)
200 300 400 500 600
van der W aals interactions
t'''
t''
Force (nN)
Sample Displacement (nm)
t'
0.5 nN
double-layer interactions
Ageing
approach curves
(b)
Figura 40 – (a) Típica curva de força obtida por um AFM para superfície de mica
imersa na água. (b) Esquema mostrando o envelhecimento da água para diferentes
períodos de tempo (t’ < t’’ < t’’’).
A utilização do substrato de mica se deu em função de que no pH da água a
dupla-camada elétrica é rapidamente estabelecida, ilustrando a importância dos
fenômenos de interface. A presença de impurezas na célula de medida afeta a
curva de força. O envelhecimento da água foi monitorado no tempo e o ocorrido
107
pode ser visualizado na Figura 40b. Para intervalos de tempo curtos a curva
apresenta um mínimo para a distância entre a ponta de nitreto de silício (
tip
= 7.4,
c
= 0.03 Nm
-1
) e a superfície plana da mica (
mica
= 5.4) [96], indicando uma
predominância para a interação atrativa de van der Waals. Para intervalos de tempo
mais longos, as forças da dupla-camada dominam a interação até que a curva de
força torna-se puramente repulsiva (para t’’’).
A contribuição da dupla camada é repulsiva pela seguinte razão: É
energeticamente favorável para a carga superficial ser rodeada por um meio com
uma grande constante dielétrica como a água. Se a ponta se aproxima da região da
dupla-camada ela se modifica. Como o material da ponta tem uma constante
dielétrica menor do que a da água a situação é agora energeticamente desfavorável
e aponta é repelida pela dupla-camada elétrica [97]. O envelhecimento da água é
acompanhado por uma mudança para valores menores de pH, que aumentam a
carga da ponta de nitreto de silício (cujo ponto isoelétrico é pH 6.3 [97]), onde a
mica está negativamente carregada. Como resultado ocorre um aumento na
repulsão, a força da dupla-camada.
5.2 – Estudo de líquidos complexos (Vinhos)
Sabe-se que o vinho possui mais de 500 substâncias químicas naturais,
incluindo álcoois, açúcares, ácidos, ésteres, etc., que sofrem uma infinidade de
combinações produzindo aromas e sabores dos mais variados. Por isso, o vinho é
considerado um líquido complexo. A análise de amostras complexas se faz
necessária no estudo para a verificação do poder discriminatório do dispositivo
sensor para bebidas que não estão resumidas a uma única substância. Para isto,
vinhos tintos produzidos com as uvas Cabernet Sauvignon e Merlot, ambos safra
2000 fornecidos pela vinícola Miolo, e vinhos brancos produzidos com as uvas
Chardonnay e Riesling, safras 1999 e 1998, respectivamente, cedidos pela vinícola
108
Salton, foram utilizados no estudo. Três garrafas de cada vinho foram analisadas,
totalizando doze garrafas.
Na medida da terceira garrafa para os vinhos tintos Cabernet Sauvignon e
Merlot o rótulo da bebida foi ocultado, sendo identificados aleatoriamente por vinho
A e B. O experimentador que realizou a coleta dos dados o fez sem saber de qual
vinho tinto se tratava. Por meio do banco de dados construído em função das
medidas das garrafas 1 e 2 de cada um dos vinhos, procurou-se determinar quem
eram os vinhos desconhecidos, se Cabernet Sauvignon ou Merlot. O resultado para
esta “degustação às cegas” pode ser visto na Figura 41 para os dados coletados a
1kHz. Das Figuras 41a e 41b pode-se observar que os vinhos tintos foram
separados dos brancos, sendo esta a informação mais relevante captada pela
primeira componente principal, que agregou 99,71% da variância total. Deve ser
lembrado que o maior diferencial dos vinhos tintos para os brancos quanto ao
paladar é a ausência de taninos nos brancos. A visualização da PCA pode ser feita
utilizando-se somente a primeira componente, Figura 41b, onde é possível observar
os pequenos aglomerados de vinhos com as mesmas características, identificando
que o vinho A se trata de um Merlot Miolo 2000 e que o vinho B de um Cabernet
Sauvignon Miolo 2000.
O resultado foi comprovado quando revelado os rótulos ocultos das
garrafas. A Figura 41 mostra ainda que os vinhos brancos foram agrupados de
maneira coerente, permanecendo as três garrafas de Chardonnay Salton 1999
juntas, assim como as de Riesling Salton 1999. Na Figura 41a há uma dispersão da
terceira garrafa do Riesling. Em função da baixa variância captada pela segunda
componente principal esta variação pode ser desprezada, como pode ser verificado
na Figura 41b.
109
(a)
(b)
Figura 41 – Análise de componentes principais para os vinhos Cabernet Sauvignon
Miolo 2000 (CabSauv), Merlot Miolo 2000, Chardonnay Salton 1999 (Chard) e
Riesling Salton 1998 (Ries). (a) Visualização em função das duas componentes. (b)
Visualização em função de PC1. Dados coletados a 1KHz e temperatura da
amostra 18ºC.
110
Uma análise para os vinhos tintos e brancos é apresentada separadamente
na Figura 42, sendo que a Figura 42a mostra que os vinhos originados das uvas
Cabernet Sauvignon ficaram bem separados dos vinhos de uvas Merlot. Para os
vinhos brancos, Figura 42b, também ocorreu separação, apesar de uma menor
resolução, entre as garrafas dos Chardonnay e Riesling.
Outras seis garrafas de vinho foram incluídas no estudo, sendo duas de
Cabernet Sauvignon Embrapa 1999, duas Cabernet Franc Embrapa 1999, duas
Chardonnay Embrapa 1999. O resultado é mostrado na Figura 43. No total foram
analisadas 14 garrafas de vinhos. Nota-se que houve distinção entre vinhos de
mesma uva e diferentes marcas, como foram os casos do Cabernet Sauvignon
Miolo 2000 e Cabernet Sauvignon Embrapa 1999 e entre os Chardonnay Salton
1999 e Embrapa 1999. A diferença entre a primeira garrafa, designada na figura
pelo número 1, e a garrafa número 2 para um vinho de mesma uva, safra e
fabricante se deu pelo fato de que as condições de armazenamento e estado de
conservação da rolha afetam as características gustativas e olfativas do vinho.
Os valores de capacitância elétrica também foram coletados aplicando-se
tensão alternada de 50mV a 200Hz, sendo o resultado satisfatório como no caso
anterior. As duas freqüências utilizadas no estudo apresentaram bons resultados
quanto ao agrupamento de amostras semelhantes, onde também foi possível a
identificação dos vinhos propositalmente ocultados.
111
(a)
(b)
Figura 42 – Análise de componentes principais para os vinhos (a) Cabernet
Sauvignon Miolo 2000, Merlot Miolo 2000, garrafas 1, 2 e 3 e (b) Chardonnay
Salton 1999 e Riesling Salton 1998, garrafas 1, 2, e 3. Dados coletados a 1KHz e
temperatura da amostra 18ºC.
112
Figura 43 – Análise de componentes principais dos dados para os vinhos Cabernet
Sauvignon Miolo 2000, Merlot Miolo 2000, Cabernet Sauvignon Embrapa 1999,
Cabernet Franc Embrapa 1999, Chardonnay Embrapa 1999, Chardonnay Salton
1999 e Riesling Salton 1998.
5.3 – Análise de águas
A língua eletrônica constituída de unidades sensoriais de eletrodos de cromo
baseada em espectroscopia de impedância e associada à estatística multivariada
foi utilizada na diferenciação de amostras de águas oriundas de diversos rios e
lagoas do país. O arranjo sensorial utilizado foi de face simples e não recebeu a
deposição de filmes. Para as medidas foi utilizado um volume de 50mL de cada
amostra e aguardado um período de 20 minutos para estabilização do meio antes
da coleta dos valores de capacitância elétrica. A tensão alternada aplicada foi de
50mV e os dados coletados na freqüência de 200Hz. A temperatura das amostras
foi mantida a 25ºC.
Na Figura 44 pode ser observada a análise de componentes principais
realizada sobre os dados de capacitância coletados de amostras de diferentes
localidades. Juntamente com as amostras vindas do meio ambiente, foi analisada
uma amostra de água destilada para avaliar quais localidades teriam suas
113
características mais parecidas com a água pura. A amostra apresentada com Tijuco
Alto refere-se a uma porção do Córrego do Monjolinho que já passou por
propriedades rurais e começa a receber a poluição da área urbana de São Carlos.
Por não receberem a influência dos agentes poluentes, outras duas porções do
mesmo córrego (Ribeira e Catas Altas) ficaram bastante distantes do Tijuco Alto. As
amostras identificadas como Piraju e Embrapa P1 correspondem a diferentes
pontos de coletas para o Córrego Monjolinho quando esse corta a propriedade da
Embrapa Pecuária Sudeste (CPPSE - Embrapa). Levando-se em consideração o
alto valor agregado pela primeira componente principal (99.33%), todos os pontos
coletados podem ser considerados muito semelhantes, pois toda essa porção
recebe o mesmo tipo de influência da fazenda que realiza pesquisas voltadas para
o gado de corte e leite. A Lagoa do Óleo é conhecida por ter o menor índice de
contaminação por poluentes urbanos. Ela também possui equilíbrio na quantidade
de algas, que em excesso podem causar mau cheiro e gosto ruim. De acordo com
o arranjo sensorial a Lagoa do Óleo é que mais se aproxima da amostra de água
destilada, indicando sua melhor qualidade quando comparada às outras
localidades.
Figura 44 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades.
114
Amostras de águas coletada de diferentes localidades do país também
foram analisadas. Na Figura 45 são apresentadas PCAs para as amostras do Rio
Tocantins, Rio Negro, Rio Solimões, Lagoa Araruama e Irivi no Rio de Janeiro
juntamente com amostras de córregos e barragens do estado de São Paulo. A
amostra coletada para a Lagoa de Araruama foi a que mais se diferenciou das
outras amostras. É sabido que esta lagoa tem um índice de eutrofização muito
elevado, o que gera grande quantidade de algas na água, que por sua vez, altera
as características de odor e gosto da mesma. Da mesma forma que se observa o
distanciamento da amostra oriunda da Lagoa de Araruama, nota-se que as
amostras da Lagoa do Irivi e Barra Bonita também ficam distantes do conjunto
formado pelas demais amostras. O meio hipereutrofizado novamente gera uma
explosão na quantidade de algas, ocasionando uma mudança na qualidade da
água.
Figura 45 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades.
Para melhor análise entre as localidades estudadas, as amostras da Lagoa
de Araruama, Irivi e barragem de Barra Bonita foram retiradas da PCA. O resultado
pode ser observado na Figura 46. As amostras identificadas como Monjolinho,
115
Piraju Embrapa P2 e Piraju Embrapa P7 correspondem a diferentes pontos de
coletas do Córrego do Monjolinho. Em função da alta variância coletada pela PC1 é
possível afirmar que as três amostras possuem as mesmas características
elétricas.
Todas as amostras foram muito bem separadas, mostrando que a língua
eletrônica foi capaz de detectar as diferenças nas propriedades elétricas de cada
uma delas.
Figura 46 – Análise de componentes principais para amostras do meio ambiente de
diferentes localidades.
5.4 – Conclusões
Unidades sensoriais formadas por trilhas de cromo depositadas
eletroquimicamente sobre placas de circuito impresso constituíram o arranjo
utilizado no estudo. O dispositivo apresentou resposta elétrica característica para as
substâncias NaCl e KCl (paladar salgado), HCl (paladar azedo) e sacarose (paladar
doce). Diferentes concentrações para a mesma substância também foram
diferenciadas.
Os estudos para verificação dos efeitos da freqüência sobre os dados
coletados pelo arranjo mostraram que tanto a freqüência de 200Hz quanto 1kHz
116
forneceram valores de capacitância que possibilitaram a diferenciação das
substâncias analisadas nas concentrações de 50, 20, 10, 5 e 1x10
-3
molL
-1
. Para as
concentrações de 1x10
-6
molL
-1
, 1x10
-9
molL
-1
e 1x10
-12
molL
-1
não foram obtidos
resultados tão satisfatórios quanto o primeiro. Para o caso do NaCl, KCl e HCl as
maiores concentrações foram perfeitamente separadas com um alto nível de
confiança para o resultado em qualquer uma das freqüências estudadas. Já para o
caso das menores concentrações estudadas o nível de confiança da separação foi
baixo, não sendo possível afirmar que o arranjo sensorial foi capaz de fazer
distinção entre as concentrações mais baixas. Foi possível observar a boa
reprodução dos dados quando comparados os resultados de NaCl obtidos com até
cinqüenta dias de intervalo entre um ensaio e outro, mostrando que o dispositivo
fornece dados reprodutíveis e confiáveis. Para as soluções aquosas de cobre o
limite de detecção apresentado pelo arranjo sensorial de eletrodos de cromo sem
filme depositado foi de 10
-6
molL
-1
.
Muito bons resultados foram obtidos na diferenciação e identificação de
vinhos, onde vinhos tintos que tiveram os rótulos de suas garrafas ocultados
propositalmente puderam ser identificados por meio do uso de um banco de dados
coletados pelo arranjo sensorial.
Todas as amostras de águas de lagoas e rios oriundas de diferentes
localidades do país foram muito bem separadas. Em comparação com amostras de
outras fontes, a água da Lagoa do Óleo teve resposta mais próxima da água
destilada, indicando que dentre as amostras analisadas foi a que possuía o menor
índice de poluentes. O resultado indicou o enorme potencial que a língua eletrônica
apresenta para as aplicações ambientais.
Do ponto de vista tecnológico, as duas principais contribuições deste
trabalho foram a possibilidade de utilizar sensores só com metal depositado, sem
filmes e sem eletrodos interdigitados, e a alta sensibilidade atingida. Os novos
117
sensores são muito mais baratos do que os obtidos com eletrodos interdigitados de
ouro.
118
VI – PROCESSO DE OTIMIZAÇÃO DE UM ARRANJO COM
FILMES POLIMÉRICOS
Os resultados do Capítulo 5 indicaram ser possível obter línguas eletrônicas
a partir de eletrodos metálicos sem recobrimento com filmes, que obviamente traz
redução de custos e provavelmente maior robustez para os arranjos sensoriais.
Entretanto, sabe-se que a sensibilidade de uma língua eletrônica pode ser
aumentada com uma escolha adequada de materiais que respondam fortemente
aos líquidos analisados [98]. Isto é bastante enfatizado nos casos em que pelo
menos uma unidade sensorial tem interações específicas, de reconhecimento
molecular, com o analito, como em biossensores com antígenos imobilizados na
unidade sensorial para detectar um anticorpo [99]. Duas classes de materiais que já
foram comprovadas como úteis para línguas eletrônicas são os polímeros
condutores e as quitosanas [63,100]. Por isso, neste trabalho de doutorado
aproveitamos a colaboração com a Dra. Rejane C. Goy e o Prof. Sérgio P.
Campana Filho do IQSC-USP, e produzimos línguas eletrônicas a partir desses
materiais, cujos resultados serão apresentados neste capítulo.
6.1 – Eletrodos recobertos com filmes poliméricos
6.1.1 – Estudo da interação entre soluções de POEA, Nanopartículas de
Quitosana e Quitosana por meio de UV-Vis.
Anteriormente à fabricação dos filmes LBL, foi investigada a interação entre
as soluções por meio de UV-Vis. Da Figura 47a, pode-se observar que a solução
aquosa de POEA pura no pH 3 apresentou um pico de absorção em
= 778nm,
caracterizando-a como dopada. Após a adição da primeira alíquota da solução de
119
nanopartículas de quitosana (pH 3.8) o pico de absorção foi deslocado para =
647nm. Essa mudança para valores de comprimento de onda menores foi
acompanhada por mudança na coloração da solução do polímero, que quando
dopado se apresentava na cor verde, e após a adição das nanopartículas passou a
apresentar a cor azul (desdopado). O efeito de desdopagem da POEA em contato
com nanopartículas de quitosana pode estar relacionado a uma competição pelas
cargas positivas ligadas à cadeia polimérica no estado dopado. A POEA
provavelmente foi desprotonada pelos grupos COO
-
da estrutura das
nanopartículas. O aumento do volume de solução de nanopartículas de quitosana
na mistura provocou deslocamento na banda da POEA até um valor mínimo de
530nm. Devido à diluição da solução de POEA, observou-se diminuição na
intensidade do sinal da banda característica do polímero. O estudo também foi
realizado para uma solução aquosa de POEA no pH 5 (desdopada), em que o
efeito de deslocamento da banda da POEA para esse pH também foi observado
(Figura 47b). Para essa condição de mistura das soluções foi observada, após um
curto intervalo de tempo, a formação de agregados e precipitação do material, o
que inviabilizou a construção de filmes LBL.
A solução de quitosana também foi misturada com solução aquosa de
POEA e o resultado pode ser visualizado na Figura 48. A primeira diferença clara
entre quitosana e dispersão de nanopartículas de quitosana na interação com
POEA em solução aquosa pode ser observada na comparação entre as Figura 47a
e 48. Diferentemente das misturas de soluções de POEA e nanopartículas de
quitosana, onde ocorreram deslocamentos para a banda do polímero condutor, a
mistura de POEA e quitosana não apresentou alteração alguma com relação a
deslocamentos de banda. Houve apenas diminuição da absorbância, devido a uma
menor quantidade de POEA na solução com a diluição da solução polimérica. A
mistura de solução aquosa de POEA no pH 5 e quitosana (pH 3) não pode ser
120
avaliada devido à velocidade com que ocorreu a formação de agregados e
precipitação do material.
400 500 600 700 800 900
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Estudo de mistura das soluções
POEA(10E-4M pH=3)+Dispersão(0.02% pH 3.8)
= 532 nm
= 647 nm
= 778 nm
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
POEA
1:0.2
1:0.5
1:0.7
1:1
1:2
1:4
1:8
Dispersão
(a)
400 500 600 700 800 900
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Estudo de mistura das soluções
POEA(10E-4M pH=5)+Dispersão(0.02% pH 3.8)
= 526 nm
= 643 nm
= 703 nm
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
POEA
1:0.2
1:0.5
1:0.7
1:1
1:2
1:4
1:8
Dispersão
(b)
Figura 47 – Estudo de UV-Vis para as misturas das soluções de POEA e
nanopartículas de quitosana. (a) solução aquosa de POEA no pH 3 e (b) solução
aquosa de POEA no pH 5.
121
300 400 500 600 700 800 900
0.0
0.5
1.0
= 684
700
701
703
703
703
703
705
estudo das proporções de POEA pH 3 C = 10
-4
M e Quit pH 3 C = 0.15%
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
POEA
1 : 0.2
1 : 0.5
1 : 0.7
1 : 1
1 : 2
1 : 4
1 : 8
Figura 48 – Estudo de UV-Vis para as misturas das soluções de POEA e quitosana
ambas no pH 3.
A Figura 49 mostra espectros de UV-Vis. para soluções de POEA dopada no
pH 3, POEA desdopada no pH 9 e da mistura POEA (pH 5) com dispersão de
nanopartículas de quitosana. Observa-se um intervalo de comprimento de onda
para o estado de dopagem da POEA definido por
= 778nm para o estado dopado
(POEA pH 3) e limitado inferiormente a
= 567nm para o estado desdopado (pH 9).
Para valores de pH acima de 9 a solução aquosa de POEA precipitou, ou seja, o
mínimo valor de
corresponde à condição máxima de desdopagem que a solução
estudada apresentou para o estado de base esmeraldina [4]. O pico de absorção no
espectro da mistura POEA com dispersão de nanopartículas foge ao intervalo
mencionado, assumindo
= 524nm, um valor menor do que o limite inferior do
intervalo apresentado. O resultado sugere não apenas uma desdopagem, mas sim
uma mudança no estado de oxidação da POEA, saindo esta do estado de base
esmeraldina e passando para o estado chamado na literatura de pernigranilina [4].
É conhecido que a cor para esse estado é a roxa e que em função de sua
122
instabilidade química ele retorna após um curto intervalo de tempo para o estado
mais estável (base esmeraldina) apresentando novamente a cor azul. Isso está de
acordo com o observado experimentalmente.
400 500 600 700 800 900
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
MAX
= 524 nm
MAX
= 567 nm
MAX
= 778 nm
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
POEA dopado pH 3
POEA desdopado pH 9
POEA+Dispersão pH 5
Figura 49 – Espectros de UV-Vis. para as soluções de POEA dopada no pH 3,
POEA desdopada no pH 9 e da mistura POEA (pH 5) com dispersão de
nanopartículas de quitosana.
6.1.2 – Diâmetro médio das nanopartículas de quitosana
O diâmetro médio das nanopartículas de quitosana foi de 163,0 2,1 nm,
determinado com um analisador de partículas “FOQELS - Fiber Optical Quase-
Elastic Light Scattering” da Brookhaven Instruments Corporation.
6.1.3 – Construção dos filmes finos LBL
6.1.3.1 – Determinação dos tempos mínimos de imersão do substrato
para a deposição da 1º camada de quitosana e nanopartículas de
quitosana
Seguindo o procedimento descrito em 4.4.2 para a construção dos filmes
LBL, foi inicialmente necessário determinar os tempos mínimos de imersão do
123
substrato em solução para o recobrimento ou formação da primeira camada dos
materiais utilizados. De acordo com a literatura, a POEA possui um tempo mínimo
para a formação da primeira camada de 3 minutos [101]. O valor para o tempo
mínimo de deposição é determinado pela observação do gráfico da cinética de
deposição do material. A quitosana apresenta um tempo mínimo para deposição da
primeira camada igual a 480 segundos, ou 8 minutos. Esse valor corresponde ao
primeiro patamar da curva, ou seja, em que a absorbância tende a saturar com o
tempo. As Figuras 50a e 50b exibem, respectivamente, os espectros de UV-Vis.
coletados a cada imersão da lâmina e o gráfico da cinética de deposição para a
quitosana. Esse último foi construído com o valor da absorbância correspondente a
cada espectro no valor de 300nm.
Para a dispersão de nanopartículas de quitosana foi adotado o mesmo
procedimento que o anterior. O tempo de imersão mínimo para as nanopartículas
foi o mesmo que o da quitosana, 8 minutos. O resultado pode ser observado na
Figura 51. Estudamos também o tempo mínimo de imersão para o recobrimento da
primeira camada a partir de uma solução da mistura dos materiais. Foi então
preparada uma solução (1:1 v/v) da mistura de POEA (C = 10
-4
molL
-1
, pH 3) com
dispersão de nanopartículas de quitosana (C = 0,02%, pH 3) e realizada a cinética
de crescimento. A utilização de soluções de POEA e nanopartículas mais
concentradas para a mistura causou formação de agregados e precipitação do
material. O uso de uma solução de POEA no pH 5 também não foi possível em
função da formação de agregados e precipitação. O resultado pode ser observado
na Figura 52.
124
(a)
(b)
Figura 50 – (a) Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na
solução de quitosana na concentração de 1,5% em ácido acético 3% sobre
substrato de quartzo; (b) Cinética de deposição. Comprimento de onda utilizado
para coleta dos valores de absorbância
= 300nm.
200 300 400 500 600 700 800 900
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
10s
20s
30s
40s
50s
60s
1 min
2 mim
4 mim
12 min
20 mim
20 min
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
Absorbância (u.a.)
Tem po de im ersão (s)
125
400 500 600 700 800 900
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
C = 0,2%
pH = 3,69
Cinética de deposição de dispersão de nanopartículas de quitosana
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
10s
20s
30s
40s
50s
1mim
2min
4min
8min
20min
40min
60min
(a)
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
480s = 8 minutos
Cinética de deposição de dispersão de nanopartículas de quitosana
Absorbância (u.a.)
Tempo de imersão (s)
(b)
Figura 51 – (a) Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na
solução de dispersão de nanopartículas de quitosana na concentração de 0,2%; (b)
Cinética de deposição. Comprimento de onda utilizado para coleta dos valores de
absorbância
= 600nm.
O mesmo procedimento foi adotado para a determinação do tempo mínimo
de imersão para a mistura POEA e quitosana. Para a POEA foi utilizada uma
concentração de 10
-3
molL
-1
e pH 3. A concentração da solução de quitosana foi de
126
0,15% e pH 3. Na tentativa de utilização da POEA no pH 5 formaram-se agregados
e o material precipitou. O resultado pode ser visualizado na Figura 53.
400 500 600 700 800 900
0.000
0.004
0.008
0.012
0.016
0.020
0.024
0.028
10s
20s
30s
40s
50s
1mim
2min
4min
8min
20min
40min
60min
Cinética POEA(10E-4M)+Dispersão(0.02%) pH = 3
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
(a)
-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
Cinética de deposição da mistura de POEA(10E-4M) e
dispersão (0.02%) pH 3
480 s = 8 minutos
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
(b)
Figura 52 – Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na solução
de mistura de POEA (C = 10
-4
molL
-1
, pH 3) e dispersão de nanopartículas de
quitosaba (C = 0,02%, pH 3); (b) Cinética de deposição. Comprimento de onda
utilizado para coleta dos valores de absorbância
= 600nm.
127
400 500 600 700 800 900
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Cinética de POEA(10E-3M)+Quitosana(0,15%) pH=3
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
10s
20s
30s
40s
50s
1mim
2min
4min
8min
20min
40min
60min
(a)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
480 s = 8 minutos
Cinética POEA(10E-3M)+Quitosana(0,15%) pH=3
Absorbância (u.a.)
Tempo de imersão (s)
(b)
Figura 53 - Espectros de UV-Vis coletados a cada imersão do substrato na solução
de mistura de POEA (C = 10
-3
molL
-1
, pH 3) e dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,15%, pH 3); (b) Cinética de deposição. Intervalo de comprimento
de onda utilizado para coleta dos valores de absorbância 680
720nm.
Em ambos os casos, tanto para a mistura de POEA com dispersão de
nanopartículas de quitosana e POEA com quitosana, o tempo mínimo de imersão
necessário para o recobrimento da primeira camada foi de 480 segundos (8
128
minutos). No caso dos filmes alternados, onde não é necessária a mistura de
soluções, os tempos mínimos de imersão do substrato adotados foram 3 minutos
para a POEA e 8 minutos para quitosana e dispersão de nanopartículas de
quitosana.
6.1.3.2 – Deposição dos filmes LBL
Seguindo o procedimento descrito em 4.4.2 e conhecido o tempo mínimo
para o recobrimento da primeira camada para todas as soluções, foram
depositados sobre substrato de vidro os demais filmes finos. Para os filmes de
POEA dopado e desdopado foram construídos filmes contendo dez camadas do
material. Para cada camada o substrato foi imerso na solução polimérica por 3
minutos. As Figuras 54 e 55 mostram os espectros para cada imersão e o
correspondente gráfico da cinética de deposição em função do número de camadas
depositadas para cada condição.
129
(a)
(b)
Figura 54 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução
polimérica POEA C = 10
-3
molL
-1
e pH = 3; (b) correspondente curva de crescimento
em função do número de camadas. O comprimento de onda para aquisição dos
valores de absorbância variou entre 595
660nm.
400 500 600 700 800 900
0,003
0,006
0,009
0,012
0,015
0,018
0,021
0,024
0,027
0,030
Abosrbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
595< <660
r = 0.994
Absorbância (u.a.)
Número de cam adas
130
(a)
(b)
Figura 55 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução
polimérica POEA C = 10
-3
molL
-1
e pH = 5; (b) correspondente curva de crescimento
em função do número de camadas. O comprimento de onda para aquisição dos
valores de absorbância variou entre 572
623nm.
Observa-se nos espectros que cada imersão do substrato contribuiu com a
mesma quantidade de material depositado. Esse fato é evidenciado pelas curvas de
crescimento que mostraram boa correlação linear entre a absorbância e o número
de camadas depositadas. Na Figura 56 é apresentada uma comparação entre as
400 500 600 700 800 900
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
0,055
0,060
Abosrbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
572< <623
r = 0.992
Absorbância (u.a.)
Núm ero de cam adas
131
curvas de crescimento para os filmes de POEA no pH 3 e pH 5. Uma maior
quantidade de material é adsorvida para a POEA no pH 5, ou seja, nesse pH com a
POEA desdopada os filmes são mais espessos. Isso se deve à pequena repulsão
elétrica entre as cadeias poliméricas. A deposição de várias camadas de um
mesmo material, sem a alternância de cargas superficiais, é possível em função
das ligações de hidrogênio [102].
Figura 56 – Comparação entre as curvas de crescimento para um filme de POEA
no pH 3 e no pH 5.
O crescimento de um filme da mistura entre soluções de POEA e
nanopartículas de quitosana foi estudado, com os resultados mostrados na Figura
57. As concentrações e pHs das soluções foram os mesmos utilizados na
determinação do tempo mínimo de imersão (item 6.1.3.1). Houve a formação do
filme fino, em que cada imersão de 8 minutos do substrato na solução contribuiu
com praticamente a mesma quantidade de material. Foram construídos filmes com
camadas alternadas dos materiais, com o substrato sendo imerso em uma primeira
solução, obedecendo-se o tempo mínimo determinado previamente, seguido por
outra imersão na segunda solução. Dessa maneira, uma bicamada foi construída.
0 2 4 6 8 10
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
0,055
0,060
pH = 3.3
pH = 5.1
Absorbância (u.a.)
Núm ero de camadas
132
A Figura 58 ilustra a deposição das bicamadas do filme alternado de POEA (C = 10
-
3
molL
-1
e pH 3) e dispersão de nanopartículas de quitosana (C = 0,2% e pH 3).
A solução aquosa de POEA na concentração de 10
-3
molL
-1
e pH 5 também
foi utilizada para preparar um filme alternado com dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,2% e pH 3). O resultado pode ser observado na Figura 59.
Pode ser afirmado que tanto para o filme de nanopartículas de quitosana
alternado com POEA pH 3 como o alternado com POEA pH 5 ocorreu crescimento
linear da absorbância em função do número de camadas. Comparando-se as
Figuras 58 e 59, nota-se que a quantidade de POEA depositada foi muito maior
para o pH 5. Para pH 3, a deposição de POEA não foi favorecida pela presença das
nanopartículas na superfície do filme, sendo a curva de crescimento muito
semelhante àquela do filme de POEA pH 3. Já quando se utiliza a POEA pH 5 a
deposição desta é favorecida, provavelmente em função da alternância de cargas
superficiais entre o polímero condutor e as nanopartículas de quitosana. As
diferenças entre os dois filmes serão comentadas novamente quando se fizer a
análise das alturas e rugosidades médias fornecidas pela microscopia de força
atômica.
133
400 500 600 700 800 900
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.018
0.020
0.022
POEA(10E-4M)+Dispersão(0.02%) pH 3 (1:1)
Absorbância (u.a.)
Caomprimento de onda (nm)
camadas
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
(a)
0 2 4 6 8 10 12
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
POEA(10E-4M)+Dispersão(0.02%) pH 3 (1:1)
8 minutos por camada
r = 0.98
Absorbância (u.a.)
Número de camadas
(b)
Figura 57 – (a) Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução da
mistura de POEA (C = 10
-4
molL
-1
e pH = 3) com dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,02%, pH 3) ; (b) correspondente curva de crescimento em função
do número de camadas. Comprimento de onda para aquisição dos valores de
absorbância
= 600nm.
134
(a)
(b)
Figura 58 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 3) alternado com dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,2% e pH 3) ; (b) correspondente curva de crescimento em função
do número de bicamadas. Comprimento de onda para aquisição dos valores de
absorbância
= 594nm.
400 500 600 700 800 900
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
= 594nm
r = 0.973
Absorbância (u.a.)
Número de camadas
135
(a)
(b)
Figura 59 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 5) alternado com dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,2% e pH 3); (b) correspondente curva de crescimento em função
do número de bicamadas. O intervalo de comprimento de onda para aquisição dos
valores de absorbância variou entre 545
634nm.
As soluções de POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 3) e quitosana (C = 0,15% pH 3)
também foram misturadas na proporção 1:1 v/v, como descrito em 6.1.3.1 e, a partir
dessas, construído um filme LBL. O resultado pode ser observado na Figura 60. A
400 500 600 700 800 900
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
545< <634
Absorbância (u.a.)
Núm ero de cam adas
136
construção de um filme a partir da mistura entre as soluções de quitosana e POEA
pH 5 não foi possível em função da formação de agregados e precipitação do
material. Os picos de absorbância são sempre medidos com relação à banda da
POEA. Nota-se na Figura 60 que formou-se um filme extremamente fino e que cada
imersão do substrato na solução contribuiu com praticamente a mesma quantidade
de material na deposição.
Filmes alternados entre POEA (C = 10
-3
molL
-1
) e quitosana (C = 1,5% e pH
3) também foram depositados. Serão apresentados os resultados para as
deposições dos filmes de POEA pH 3 (Figura 61) e POEA pH 5 (Figura 62)
alternados com quitosana.
137
400 500 600 700 800 900
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.010
POEA(10E-3M) + Quitosana(0.15%) pH 2.75 (1:1)
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1 camada
2 camada
3
4
5
6
7
8
9
10
(a)
0 2 4 6 8 10 12
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
POEA(10E-3M)+Quitosana(0.15%) pH 2.75 (1:1)
8 minutos por camada
r = 0.95
Absorbância (u.a.)
Número de camadas
(b)
Figura 60 – Espectros coletados para cada imersão do substrato na solução da
mistura de POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH = 3) com quitosana (C = 0,15%, pH 3) ; (b)
correspondente curva de crescimento em função do número de camadas. Intervalo
de comprimento de onda para aquisição dos valores de absorbância 600
700nm.
138
(a)
(b)
Figura 61 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA pH 3; (b) correspondente curva de crescimento em função do número de
bicamadas. O intervalo de comprimento de onda para aquisição dos valores de
absorbância variou entre 600
680nm.
400 500 600 700 800 900
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,010
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,010
r = 0.93
Absorbância (u.a.)
Núm ero de camadas
139
(a)
(b)
Figura 62 – (a) Espectros coletados ao final da imersão do substrato na solução de
POEA pH 5; (b) correspondente curva de crescimento em função do número de
bicamadas. O intervalo de comprimento de onda para aquisição dos valores de
absorbância variou entre 580
680nm.
Das últimas figuras pode-se observar que os filmes alternados de POEA e
quitosana foram formados. Contudo, os incrementos nos valores de absorbância
alcançados a cada imersão foram pequenos, caracterizando pouca adsorção de
400 500 600 700 800 900
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,010
0,011
Absorbância (u.a.)
Comprimento de onda (nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
0,0060
0,0065
0,0070
0,0075
0,0080
0,0085
0,0090
0,0095
0,0100
0,0105
r =0.85
Absorbância (u.a.)
Número de camadas
140
cada um dos materiais utilizados. A deposição irregular dos materiais foi
confirmada pelo gráfico de absorbância em função do número de camadas
depositadas, onde se nota uma dispersão dos pontos com relação à reta traçada.
Conhecidos o comportamento para a deposição de cada um dos filmes, é
possível fazer uma comparação entre as curvas de absorbância em função do
número de camadas para os filmes de POEA e filmes alternados de nanopartículas
de quitosana e POEA quando o pH do polímero condutor é variado (Figuras 63 e
64). Utilizando-se POEA no pH 5 e dispersão de nanopartículas de quitosana no pH
3 para a fabricação de um filme alternado, alcançou-se a condição onde ocorreu a
maior deposição de material sobre o substrato.
0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
POEA 10
-3
mol/L pH 3 / Disp 0.2% pH 3
POEA 10
-3
mol/L pH 5 / Disp 0.2% pH 3
Absorbância (u.a.)
Número de camadas
Figura 63 – Comparação entre as curvas de crescimento dos filmes de POEA nos
pHs 3 e 5.
141
Figura 64 – Comparação entre as curvas de crescimento dos filmes de POEA e
filmes alternados de POEA e nanopartículas de quitosana em diferentes pHs.
6.1.3.3 – Análise de microscopia de força atômica (AFM)
Para cada um dos filmes LBL construídos foram obtidas imagens de AFM de
suas superfícies, mostradas nas Figuras 65 a 71.
600nm
Figura 65 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas de quitosana (C = 0,15%
e pH 3) depositado sobre vidro.
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Absorbância (u.a.)
Núm ero de cam adas
PO EA 10
-3
mol/L pH =3
PO EA 10
-3
mol/L pH =5
PO EA 10
-3
mol/L pH=3/Disp 0.2% pH=3
PO EA 10
-3
mol/L pH=5/ Disp 0.2% pH=3
142
Figura 66 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas de dispersão de
nanopartículas de quitosana (C = 0,2% e pH 3) depositado sobre vidro.
(a)
(b)
Figura 67 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas POEA C = 10
-3
molL
-1
depositado sobre vidro. (a) pH 3; (b) pH 5.
1.0µm
1.0µm
1.0µm
143
310nm
Figura 68 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas da mistura de soluções de
POEA (C = 10
-4
molL
-1
e pH 3) com dispersão de nanopartículas de quitosana (C =
0,02% e pH 3) depositado sobre vidro.
(a)
(b)
Figura 69 – Imagens de AFM para filme LBL 10 bicamadas de POEA (C = 10
-3
molL
-1
) alternado com dispersão de nanopartículas de quitosana (C = 0,2%)
depositado sobre vidro. (a) POEA pH 3 e (b) pH 5.
1.0µm
1.0µm
144
600nm
Figura 70 – Imagens de AFM para filme LBL 10 camadas da mistura de soluções de
POEA (C = 10
-3
molL
-1
e pH 3) com quitosana (C = 0,15% e pH 3) depositado sobre
vidro.
600nm
(a)
600nm
(b)
Figura 71 – Imagens de AFM para filme LBL 10 bicamadas de POEA (C = 10
-3
molL
-1
) alternado com quitosana (C = 0,15%) depositado sobre vidro. (a) POEA pH
3 e (b) pH 5.
145
Os valores de altura média (Z) e rugosidade média obtidos por meio da AFM
para cada filme são apresentados na Tabela 9. O filme depositado com POEA no
pH 5 apresenta uma rugosidade menor do que o filme depositado no pH 3 (3,18nm
e 6,27nm, respectivamente). A solução de POEA no pH 5 encontra-se praticamente
na condição de neutralidade elétrica, não havendo repulsão entre as cadeias
poliméricas quando estas são transferidas para um substrato sólido. Ligações de
hidrogênio estão presentes entre as camadas, favorecendo, juntamente com a
ausência de repulsão elétrica, uma deposição uniforme do material. Já para filme
de POEA pH 3, mesmo ainda havendo ligações de hidrogênio, ocorre repulsão
elétrica entre as cadeias poliméricas em função das cargas positivas que dopam o
material. Esse efeito provoca imperfeições na superfície do filme, o que é revelado
pelo aumento da rugosidade média. O crescimento de POEA em função do número
de camadas (Figura 56) indicou um filme mais espesso para POEA pH 5 do que
POEA pH 3. A altura média (Z) pode ser utilizada como um indício dessa última
afirmação. Contudo, os valores de Z fornecidos pela AFM mostraram que o filme de
POEA pH 5 possui um Z menor do que o filme POEA pH 3 (27,8nm e 39,6nm,
respectivamente). Esse resultado pode estar associado à presença de impurezas
na região analisada, o que provocou aumento na leitura da altura média.
A altura média do filme de nanopartículas de quitosana (Z = 739nm), e uma
rápida inspeção no substrato de vidro que contém o filme, revelam a potencialidade
do material na formação de filmes mais espessos do que normalmente se encontra
para filmes automontados. A rugosidade média também é elevada (96,5nm). Na
imagem de AFM do filme de nanopartículas de quitosana (Figura 66), observa-se
tanto a presença de grande quantidade de pequenos grânulos formando o filme
quanto a presença de “buracos”. Os pequenos grânulos, que seriam aglomerações
de nanopartículas, provocam a formação de camadas irregulares que apresentam
146
vazios. Assim, quando as camadas seguintes são depositadas, esses buracos são
preenchidos prejudicando a formação das camadas subseqüentes.
Tabela 9 - Valores de altura média (Z) e rugosidade média para os filmes obtidos.
Filmes
Z (nm)
Rugosidade (nm)
POEA dopada (pH = 3) 39.6 6.27
POEA desdopada (pH = 5) 27.8 3.18
Nanopartículas 739.0 96.5
POEA dopada/Dispersão 412.0 61.3
POEA desdopada/Dispersão 5200 645
Quitosana 10.6 1.20
POEA dopada/Quitosana 17.9 1.68
POEA desdopada/Quitosana 22 3.01
POEA dopada + Quitosana 22,6 2,53
POEA dopada + Dispersão 14,5 2,20
A não uniformidade na deposição provoca aumento na rugosidade média da
superfície. As nanopartículas formam estruturas ramificadas com o enxerto de
cadeias do poli(ácido-metacrílico), e com isso o volume ocupado pelas cadeias é
maior, diferentemente do caso da quitosana que é um polímero linear. A Tabela 9
mostra essa diferença entre o filme de quitosana e de nanopartículas. Os grânulos
também são observados nos filmes alternados de nanopartículas de quitosana com
POEA (Figura 69), porém não aparecem nas imagens dos filmes construídos
apenas com POEA, o que reforça a idéia de aglomerados de nanopartículas.
O filme alternado construído a partir de uma solução de POEA desdopada
(C = 10
-3
molL
-1
, pH 5) e dispersão de nanopartículas de quitosana (C = 0,2%, pH 3)
exibiu para Z o valor de 5,2
m (5200nm), a maior altura média de todos os filmes
LBL construídos. A rugosidade também apresentou alto valor, 645nm. A inspeção
do substrato contendo as 10 bicamadas desse filme revela a formação de um filme
147
espesso de coloração azul escura. Comparada à altura média (Z = 412nm) e à
rugosidade média (61.3nm) exibida pelo filme alternado construído a partir de uma
solução de POEA dopada (C = 10
-3
molL
-1
, pH 3) e dispersão de nanopartículas de
quitosana (C = 0,2%, pH 3) com o Z fornecido para a condição de POEA
desdopada (pH 5), verificou-se que a utilização desta última fez os valores de Z e
rugosidade aumentarem 10 vezes. A obtenção desse filme LBL pouco comum deve
provavelmente estar ligado ao fato de a POEA apresentar no pH 5 neutralidade
elétrica. Sendo a quitosana um policátion, a deposição de camadas alternadas dos
materiais fica favorecida, em função de não ocorrer repulsão eletrostática. Já a
POEA dopada também se comporta como policátion. Dessa maneira, a repulsão
elétrica desfavorece a formação de filmes mais espessos. Ainda assim, ocorre
deposição de um filme alternado com alta rugosidade causada pelas
nanopartículas.
Os baixos valores de Z (10.6nm) e rugosidade média (1.2nm) confirmaram a
formação de um filme ultrafino para a quitosana. Características muito semelhantes
foram obtidas para os filmes alternados de quitosana com POEA nos pHs 3 e 5 e
para os filmes das misturas entre POEA e quitosana e POEA e nanopartículas.
Esse resultado demonstra que a rugosidade apresentada pelas superfícies
contendo quitosana na forma de nanopartículas contribui fortemente para a
adsorção de outros materiais e formação de bicamadas. No caso da mistura dos
polímeros em solução a interação ocorre ainda em solução, diminuindo o volume
hidrodinâmico e consequentemente a espessura do filme depositado.
6.2 – Interação das soluções poliméricas com CuSO
4
•5H
2
O
Com o objetivo de construir sensores baseados em filmes LBL sensíveis à
presença de cobre em solução aquosa, foi realizado um estudo de UV-Vis. para
avaliar a interação entre cobre metálico, por meio do CuSO
4
•5H
2
O, e as soluções
148
poliméricas utilizadas na construção dos filmes. Para isso, duas soluções foram
preparadas: uma de cobre na concentração de 10
-3
molL
-1
e outra solução apenas
de água destilada com o pH corrigido para o mesmo valor da solução de cobre. A
solução de água teve como função avaliar se as mudanças nos espectros das
soluções poliméricas após as adições de cobre eram causadas pelas interações do
metal com o polímero, ou simplesmente por causa da variação de pH. As
contaminações com cobre foram chamadas de reais e as contaminações com água
chamadas de falsas. Foram realizados os dois tipos de contaminação para as
soluções de POEA pH3, POEA pH 5, quitosana, dispersão de nanopartículas de
quitosana, mistura de POEA pH3 com quitosana e mistura de POEA pH com
dispersão de nanopartículas de quitosana.
Na Figura 72 serão apresentados apenas os resultados para a solução de
POEA pH 5 e para a solução da mistura POEA pH 3 com quitosana. Essas duas
soluções retratam o ocorrido com as demais soluções. A princípio foi obtido um
espectro para a solução do material não contaminado. Logo em seguida, o volume
foi contaminado com o cobre ou água e aguardado um intervalo de 20 minutos
antes da obtenção do segundo espectro. Passadas 5 horas da contaminação inicial
um novo espectro foi obtido. Os espectros revelam que o material polimérico
respondeu da mesma maneira tanto à contaminação real quanto à contaminação
com água, ou seja, apenas o efeito de mudança do pH da solução foi verificado por
meio do UV-Vis.
149
300 400 500 600 700 800 900
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Poea pura
Poea após 20 minutos de interação
Poea após 5 horas de interação
Interação entre solução de POEA em pH 5 com solução de
CuSO
4
.5H
2
O (10
-3
mol/L) - segundo ensaio
= 571nm
= 646nm
= 720nm
Absorbance (u.a.)
Wavelength (nm)
(a)
300 400 500 600 700 800 900
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
= 619nm
= 692nm
= 680nm
Interação entre solução de POEA em pH 5
com agua destilada - teste falso
Wavelength (nm)
Absorbance (u.a.)
Poea pura
Poea após 20 minutos de interação
Poea após 5 horas de interação
(b)
Figura 72 – Espectros de UV-Vis. para investigação da interação entre soluções
poliméricas utilizadas nas construções dos filmes LBL com solução de CuSO
4
•5H
2
O
de concentração 10
-3
molL
-1
(contaminação real) e água pura (contaminação falsa).
(a) contaminação real da solução de POEA (pH 5); (b) contaminação falsa da
solução de POEA (pH 5).
150
300 400 500 600 700 800 900
0.00
0.25
0.50
0.75
= 699nm
= 723nm
= 736nm
Interação entre solução de Poea+Quitosana em pH 2.67 com
solução de CuSO
4
.5H
2
O (10
-3
mol/L)
Absorbance (u.a.)
Wavelength (nm)
POEA+Quitosana pura
POEA+Quitosana após 20 minutos de interação
POEA+Quitosana após 5 horas de interação
(c)
300 400 500 600 700 800 900
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
= 733nm
= 735nm
= 720nm
Interação entre solução de Poea+Quitosana em pH 3.07
com agua destilada -ensaio falso
POEA+Quitosana pura
POEA+Quitosana após 20 minutos de interação
POEA+Quitosana após 5 horas de interação
Wavelength (nm)
Absorbance (u.a.)
(d)
Figura 72 – Espectros de UV-Vis. para investigação da interação entre soluções
poliméricas utilizadas nas construções dos filmes LBL com solução de CuSO
4
•5H
2
O
de concentração 10
-3
molL
-1
(contaminação real) e água pura (contaminação falsa).
(c) contaminação real da solução da mistura de POEA e quitosana (pH 2,67); (d)
contaminação falsa da solução da mistura de POEA e quitosana (pH 3,07).
151
6.3 – Interação dos filmes LBL com CuSO
4
•5H
2
O
O mesmo estudo descrito em 6.2 foi realizado para todos os filmes LBL
construídos, sendo agora os filmes imersos em soluções de cobre e soluções de
água com o pH ajustado para o valor da solução que contém o sal metálico. Da
mesma maneira que a espectroscopia de UV-Vis não apontou interações entre o
cobre e os materiais poliméricos em solução, nada pode ser afirmado sobre a
interação do metal com os materiais na forma de filmes finos. Observa-se na Figura
73 que tanto a imersão do filme em uma solução de cobre quanto sua imersão na
água com pH ajustado geraram o mesmo efeito de deslocamento de banda. Os
demais filmes LBL apresentaram o mesmo comportamento apresentado pelo filme
construído a partir da mistura da solução de POEA pH 3 com solução de quitosana.
152
400 500 600 700 800 900
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
= 576nm
= 576nm
= 696nm
Interação do filme de Poea+Quitosana com solução de CuSO
4
.5H
2
O
filme de Poea+Quitosana - 10 camadas pH 2.67
Absorbance (u.a.)
Wavelength (nm)
Filme de Poea+Quitosana pura
Filme de Poea+Quitosana após 20 minutos de interação
Filme de Poea+Quitosana após 15 horas de interação
(a)
400 500 600 700 800 900
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
= 587nm
= 697nm
= 560nm
Interação do filme de Poea+Quitosana
com água destilada - teste falso
Filme de Poea+Quitosana pura
Filme de Poea+Quitosana após 20 minutos de interação
Filme de Poea+Quitosana após 15 horas de interação
filme de Poea+Quitosana - 10 camadas pH 2.67
Wavelength (nm)
Absorbance (u.a.)
(b)
Figura 73 – Espectros de UV-Vis. para investigação da interação entre um filme
LBL misto 10 camadas de POEA pH 3 e quitosana com solução aquosa de
CuSO
4
•5H
2
O. (a) imersão do filme em uma solução de cobre; (b) imersão do filme
em água com pH ajustado.
153
6.4 – Aplicação dos filmes LBL nos eletrodos de cromo para detecção de
cobre
6.4.1 – Estudo de detecção em altas concentrações
Seguindo o procedimento descrito em 4.2.7.2 o estudo para detecção do
cobre metálico em solução aquosa foi iniciado. Dois conjuntos, denominados A e B
(Tabela 7), de cinco unidades de eletrodos de cromo dupla face, ou seja, dez
unidades por conjunto, foram montados. Para avaliar a contribuição dos filmes LBL
na detecção do cobre, os ensaios foram realizados com eletrodos limpos (sem filme
depositado) e com os eletrodos recobertos pelos filmes LBL. Os resultados para o
arranjo A com e sem filmes podem ser verificados na Figura 74, e para o conjunto B
na Figura 75.
Todas as unidades sensoriais, contendo ou não filmes LBL, foram capazes
de detectar as diferentes concentrações de cobre. Cada concentração apresentou
um conjunto de valores de capacitância elétrica distinto, mostrando que as
unidades sensoriais funcionaram com boa ferramenta na detecção do cobre em
solução aquosa.
As medidas feitas em água destilada no início e ao final dos ensaios para os
eletrodos com e sem filmes LBL foram muito semelhantes. Este fato mostra que,
aparentemente, não houve efeito de “memória” nas unidades sensoriais, mesmo
após a utilização de soluções de alta concentração, como 50x10
-3
molL
-1
. Isso é de
grande importância para aplicações em línguas eletrônicas, pois proporciona a
reutilização de um mesmo arranjo sensorial reduzindo custos e diminuindo o tempo
de execução dos experimentos.
154
0,00E+00
2,00E-07
4,00E-07
6,00E-07
8,00E-07
1,00E-06
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69
Número de Medidas
C (F)
sensor 1 sensor 2 sensor 3 sensor 4
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
água
inicial
água
final
(a)
0,00E+00
1,00E-07
2,00E-07
3,00E-07
4,00E-07
5,00E-07
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69
Número de Medidas
C (F)
POEA pH 3 POEA pH 5
POEA pH 3 alternado com quitosana POEA pH 5 alternado com quitosana
água
inicial
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
água
final
(b)
Figura 74 – Resposta elétrica das unidades sensoriais para detecção de cobre: (a)
arranjo A sem filme depositado e (b) arranjo A com filmes depositados.
Após a deposição dos filmes LBL sobre os eletrodos de cromo dos arranjos
A e B, foram observadas diminuições nos valores de capacitância elétrica na
detecção dos íons cobre. Contudo, a capacidade de separação entre cada uma das
concentrações foi mantida.
155
0,00E+00
1,00E-07
2,00E-07
3,00E-07
4,00E-07
5,00E-07
6,00E-07
7,00E-07
8,00E-07
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69
Número de Medidas
C (F)
sensor 1 sensor 2 sensor 3 sensor 4
água
inicial
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
água
final
(a)
0,00E+00
1,00E-07
2,00E-07
3,00E-07
4,00E-07
5,00E-07
6,00E-07
7,00E-07
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69
Número de Medidas
C (F)
Quitosana Nanopartículas
POEA pH 3 alternado com nanop. POEA pH 5 alternado com nanop.
água
inicial
1mM
5mM
10mM 20mM
50mM
água
final
(b)
Figura 75 - Resposta elétrica das unidades sensoriais para detecção de cobre: (a)
arranjo B sem filme depositado e (b) arranjo B com filmes depositados.
A eficiência dos arranjos sensoriais na detecção dos íons cobre, tanto com
filme LBL depositado quanto sem filme, foi verificada pela análise de componentes
principais (PCA). Utilizando-se dos mesmos dados de capacitância elétrica
apresentados na Figura 75, pode ser observada nas Figuras 76 e 77 a boa
separação das soluções de cobre e a boa reprodutibilidade dos experimentos. Para
o arranjo A sem e com filme LBL, Figura 76 (a) e (b), respectivamente, a primeira
componente principal agregou uma variância acima de 98%, indicando que esta
componente é suficiente para a diferenciação das soluções. A variância associada
156
ao segundo eixo principal pode ser relacionada a variações experimentais, como
diferenças entre as soluções de mesma concentração, variações da temperatura no
momento da coleta dos dados, dos volumes utilizados, etc.
Na detecção dos íons cobre pelo arranjo B não contendo e contendo filmes
LBL, Figura 77 (a) e (b), respectivamente, também pode ser observada boa
separação entre diferentes soluções e reprodutibilidade dos experimentos, porém
com uma diminuição da variância armazenada pelo primeiro eixo principal. Isto
pode estar relacionado ao fato de alguns íons terem ficado adsorvidos na superfície
dos filmes após as análises prejudicando as detecções subseqüentes. O uso
prolongado das unidades sensoriais contendo filmes pode ocasionar deterioração
nos mesmos, alterando as leituras ou medidas de capacitância.
Da comparação entre as curvas de PCA da Figura 76 e Figura 77, nota-se
que a capacidade separação das várias concentrações, assim como a
reprodutibilidade dos resultados, foi eficiente tanto para os arranjos sem filmes
como para os arranjos com filmes LBL depositados.
157
-6 -4 -2 0 2 4 6
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
PC 1 = 99.15%
PC 2 = 0.55%
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
(a)
-6 -4 -2 0 2 4 6
-3
-2
-1
0
1
2
3
PC 1 = 79.82%
PC 2 = 17.67%
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
(b)
Figura 76 - Curvas de PCA para as medidas de detecção de cobre do arranjo A (a)
sem e (b) com filme LBL depositado. As concentrações de cobre estão
diferenciadas pelas cores, enquanto que os símbolos se referem aos diferentes
experimentos realizados.
158
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-1
-0.5
0
0.5
PC 1 = 98.46%
PC 2 = 0.92%
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
(a)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
PC 1 = 93.54%
PC 2 = 2.73%
1mM
5mM
10mM
20mM
50mM
(b)
Figura 77 - Curvas de PCA para as medidas de detecção de cobre do arranjo B (a)
sem e (b) com filme LBL depositado. As concentrações de cobre estão
diferenciadas pelas cores, enquanto que os símbolos se referem aos diferentes
experimentos realizados.
159
6.4.2 – Estudo de detecção em baixas concentrações
O limite de detecção para o novo arranjo de unidades sensoriais
constituídas apenas por eletrodos de cromo sem filmes LBL foi de 10
-6
molL
-1
, como
apresentado no item 5.1.5. A fim de verificar qual a contribuição dos filmes LBL na
detecção de concentrações mínimas de íons cobre pelos arranjos sensoriais, um
segundo estudo foi realizado com soluções aquosas com concentrações variando
de 1x10
-4
até 1x10
-9
molL
-1
. Seguindo ainda o procedimento descrito em 4.2.7.2.
foram coletados os valores de capacitância elétrica para as concentrações
mencionadas. Para efeito de comparação, foi montado um gráfico com as respostas
elétricas obtidas por uma unidade sensorial com e sem filme LBL depositado para
contaminações falsas e verdadeiras. O resultado apresentado destaca a unidade
constituída por um filme LBL de POEA pH 5 alternado com quitosana como sendo o
melhor resultado entre todas as unidades sensoriais dos arranjos A e B para a
detecção do cobre. Esse resultado é semelhante ao obtido por todas as demais
unidades sensoriais.
Na Figura 78 observa-se que as contaminações falsas foram detectadas
pela unidade sensorial sem filme LBL, mostrando que o manuseio das amostras
altera as propriedades elétricas do meio. Quando o meio aquoso foi contaminado
com pequenas concentrações de CuSO
4
•5H
2
O, as alterações dos valores de
capacitância foram detectadas a partir da concentração de 10
-6
molL
-1
(0,001mM)
tanto para o eletrodo com filme LBL (Figura 79) quanto para o eletrodo sem filme.
Os acréscimos nos valores de capacitância para a contaminação com
cobre foram maiores do que os acréscimos quando a água era adicionada
ao volume, deixando evidente a sensibilidade da unidade sensorial à
contaminação verdadeira.
160
1,85E-09
1,95E-09
2,05E-09
2,15E-09
2,25E-09
2,35E-09
2,45E-09
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86
Número de medidas
C (F)
adições de água adições de cobre
0,1mM
0,01mM
0,001mM
Figura 78 – Comparação entre os valores de capacitância elétrica obtidos para
contaminação falsa e verdadeira. Eletrodo de cromo sem filme LBL depositado.
2,00E-09
2,50E-09
3,00E-09
3,50E-09
4,00E-09
4,50E-09
5,00E-09
5,50E-09
6,00E-09
6,50E-09
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86
Número de medidas
C (F)
sem filme com filme
0,001mM
0,01mM
0,1mM
0,001mM
0,01mM
0,1mM
Figura 79 – Comparação entre os valores de capacitância elétrica obtidos para
contaminação com íons de cobre para eletrodo com filme LBL POEA pH 5
alternado com quitosana e eletrodo sem filme.
A Figura 79 mostra a contaminação com íons cobre, para o eletrodo sem
filme e para o eletrodo contendo 10 bicamadas de um filme LBL POEA pH 5
alternado com quitosana. Novamente, as duas configurações de unidade sensorial,
uma contendo filme e a outra não, foram capazes de detectar o cobre, sendo que a
unidade com filme LBL apresentou incrementos de capacitância maiores.
161
Análises de componentes principais (PCA) foram realizadas nos dados de
capacitância elétrica coletados pelos arranjos A e B com e sem filme LBL
depositados para as baixas concentrações de cobre. Os resultados estão na Figura
80, que confirmaram que tanto o arranjo contendo filmes LBL quanto o arranjo sem
filmes foram capazes de detectar a contaminação por íons cobre em solução
aquosa a partir da concentração de 10
-6
molL
-1
. Os resultados de PCA para o
arranjo B foram omitidos por apresentar a mesma conclusão.
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
PC 1 = 84.70%
PC 2 = 8.29%
water
1x10E-9 mol/L
1x10E-8 mol/L
1x10E-7 mol/L
1x10E-6 mol/L
1x10E-5 mol/L
1x10E-4 mol/L
Figura 80 – Análise de componentes principais para os dados de capacitância
elétrica coletados para as baixas concentrações de cobre para o arranjo sensorial A
com eletrodos dupla face sem filme LBL.
162
-2 0 2 4 6 8 10
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
PC 1 = 88.88%
PC 2 = 10.10%
water
1x10E-9 mol/L
1x10E-8 mol/L
1x10E-7 mol/L
1x10E-6 mol/L
1x10E-5 mol/L
1x10E-4 mol/L
(b)
Figura 81 – Análise de componentes principais para os dados de capacitância
elétrica coletados para as baixas concentrações de cobre. Para o arranjo sensorial
A com eletrodos dupla face com filme LBL depositado.
6.5 – Conclusões
As análises de UV-Vis. mostraram a forte interação que pode ocorrer entre
os materiais quando combinados em solução aquosa, sendo a quitosana na forma
de nanopartículas responsável por uma desdopagem da POEA. Filmes LBL com
diferentes características foram obtidos, sendo oportuno destacar a espessura
incomum alcançada pelo filme obtido na combinação entre POEA (pH 5) e
quitosana na forma de nanopartículas. Já em sua forma natural, a quitosana,
aplicada pura ou combinada a POEA resultou em filmes LBL ultrafinos.
Quando depositados sobre os eletrodos de cromo os filmes LBL não deram
à língua eletrônica o ganho em sensibilidade esperado. No entanto, a nova
configuração indicou que uma língua eletrônica composta de unidades sensoriais
contendo filmes pode levar a obtenção de dispositivos com maior sensibilidade a
espécies de interesse.
163
Frente aos resultados obtidos, especialmente aos apresentados pelos
eletrodos sem filmes LBL, dois pontos devem ser enfatizados: i) a resposta elétrica
para eletrodos de cromo nominalmente idênticos variou consideravelmente em
função das diferenças na morfologia causadas pela eletrodeposição. Isso foi
explorado na obtenção de um arranjo sensorial com sensibilidade cruzada. As
respostas elétricas dependem basicamente dos fenômenos de interface. ii) pelo
mesmo motivo, o desempenho do arranjo sensorial sem filme depositado pode ser
igualado ao arranjo produzido com filmes nanoestruturados. Há casos em que
fortes interações com o analito tornam-se importantes. Por isso, a busca por novos
materiais para aplicação em língua eletrônica é duplicada: não somente a busca por
materiais que respondam diferentemente aos analitos, mas também identificar
materiais com algum grau de especificidade em sua interação com os mesmos.
164
VII – CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Este Capítulo será bem sucinto, pois as principais conclusões já foram
discutidas ao final de cada capítulo de resultados. Enfatizamos, por isso, apenas as
contribuições mais relevantes da tese. A primeira delas é a introdução de uma nova
metodologia para línguas eletrônicas, com grande possibilidade de aplicações
tecnológicas pois os sensores são muito mais baratos e em princípio mais robustos
do que aqueles obtidos pela deposição de filmes ultrafinos sobre substratos
metálicos. De fato, os eletrodos de cromo eletroquimicamente depositados sobre
placas de circuito impresso são uma nova opção de sensores de paladar. Além de
apresentarem sensibilidade similar aos sensores que utilizam microeletrodos de
ouro cobertos por filmes ultrafinos, os novos sensores não necessitam de qualquer
modificação em sua superfície para detectar substâncias em soluções aquosas na
concentração de 10
-6
molL
-1
. A língua eletrônica com os sensores de cromo
também pôde ser empregada para distinguir vinhos e águas de diferentes fontes,
novamente com desempenho semelhante às línguas que empregam unidades
sensoriais com filmes nanoestruturados.
A explicação para a alta sensibilidade dos sensores simples, de cromo sobre
circuito impresso, está na predominância de efeitos de interface para as medidas
elétricas. Sabe-se que a resposta elétrica, nas medidas de impedância, depende da
interação do líquido com a superfície dos sensores, e que pequenas alterações na
interface são detectáveis. Para aproveitar a resposta variada de um arranjo de
sensores, provavelmente foi fundamental obter eletrodos de cromo relativamente
grosseiros, com morfologia pouco controlada. Pois essas diferenças de morfologia
entre uma unidade sensorial e outra permitiram que se produzisse uma língua
eletrônica em que todas as unidades eram nominalmente idênticas. A comprovação
165
da importância dos efeitos de interface foi realizada com medidas de
espectroscopia de força atômica, que é uma outra contribuição da tese.
O sucesso de uma língua eletrônica de unidades sensoriais mais simples
não deve, entretanto, impedir a busca por novos materiais que possam trazer
otimização do desempenho da língua eletrônica para aplicações específicas. Já
está bem demonstrado na literatura, por exemplo com o uso do conceito de língua
eletrônica em biossensores [99], que uma sensibilidade ainda maior pode ser obtida
quando interações mais específicas ocorrem entre o material da unidade sensorial
e o analito. Isso nos motivou a empregar quitosanas e polianilinas em unidades
sensoriais, principalmente por causa da evidência de que esses materiais são muito
sensíveis a alterações nos líquidos com eles em contato. Aqui aparece uma nova
contribuição da tese. Para produzir unidades sensoriais com quitosana e POEA,
verificamos uma forte interação entre esses materiais, inclusive já em solução. De
particular importância foi a obtenção de filmes extremamente espessos para uma
combinação entre POEA e nanopartículas de quitosana.
A escolha de uma série de unidades sensoriais com quitosana e POEA
acabou por não melhorando a sensibilidade da língua, em comparação com aquela
com sensores de cromo. Isto mostra por um lado a grande vantagem dos eletrodos
de cromo. Por outro, indica que para aplicações específicas é necessário buscar
materiais que possam ter grande interação com os analitos sob estudo, ou com
especificidades para com os líquidos.
Com relação a trabalhos futuros, um primeiro passo é explorar as unidades
sensoriais de cromo eletroquimicamente depositados em aplicações reais, para tirar
proveito da robustez dos eletrodos. Como um dos maiores problemas da utilização
de uma língua eletrônica está na necessidade de substituição do arranjo sensorial –
o que inevitavelmente requer recalibração – o novo arranjo é bastante promissor.
Pelos resultados apresentados na tese, os eletrodos sem filme podem ser
166
empregados tanto na detecção de baixos níveis de impureza em amostras de água
ou líquidos quaisquer como na distinção de líquidos complexos. Uma tarefa
importante para esse emprego será investigar a reprodutibilidade de grandes
quantidades de arranjos sensoriais, além de verificar como poderá ser feita a
recalibração.
No que concerne a materiais, um outro trabalho futuro é explorar filmes
automontados de quitosanas, especialmente na forma de nanopartículas, e
polianilinas e outros materiais. Embora para a presente aplicação, a sensibilidade
da língua eletrônica não tenha sido melhorada, a compreensão dos fenômenos
físico-químicos será bastante instigante e desafiadora.
Um outro possível trabalho futuro consiste em aprofundar os estudos com
águas coletadas de fontes diversas. Uma vez demonstrado o poder da língua
eletrônica em distinguir diferentes tipos de amostra, o desafio agora é correlacionar
resultados de medidas elétricas da língua com as propriedades físicas, químicas e
biológicas das amostras de água. Uma análise inicial já foi realizada na tese, com a
confirmação de expectativas quanto aos níveis de poluição das águas, mas este
tópico requer mais estudos, pois tem grandes possibilidades de emprego em
monitoramento de qualidade de águas. Isso de uma maneira simples e barata, que
pode ser implementada no campo.
167
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