O presente processo descreve o desenvolvimento de sensores voltamétricos ultrassensíveis para determinação eletroquímica de cobre (II). Os sensores desenvolvidos consistem de eletrodos de ouro modificados com monocamadas auto organizadas de ácido mercaptopropiônico. Tais eletrodos modificados mostraram uma grande habilidade para pré-concentrar íons cobre em solução, oferecendo um método simples e reprodutível para a determinação extremamente sensível deste elemento (na ordem de partes por quatrilhão (ppq)). A resposta dos sensores foi investigada quanto a sua dependência em relação a vários parâmetros experimentais, tais como pH, eletrólito suporte e tempo de pré concentração. O sensor desenvolvido apresentou uma ampla faixa linear de trabalho (entre 1,0 x 1 0-12 e 1,0 x 10-9 mol l-1 de cobre(II)), com um limite de detecção de 2,4 x 10-14 mol l-1(1,5  ppq ou 3,75 fentogramas (10-15 g) de cobre num volume de 2,5 ml) apos 5 minutos de pre-concentração. Além disso, este sensor também apresentou uma excelente repetibilidade, com um desvio padrão relativo de apenas 3,2% para uma serie de 9 medidas sucessivas de uma solução 10,0 x 10-12 mol l-1 de cobre (II). A aplicabilidade deste sensor na analise de amostras de interesse clinico, industrial e ambiental foi avaliada monitorando-se a concentração de cobre em amostras de agua mineral e de cachaça.BR0205155 (A)C02F1/469C02F1/469BR20020205155C02F1/469C02F1/46

Freire Renato Sanches

Kubota Lauro Tatsuo

Portuguese

Repositorio da Producao Cientifica e Intelectual da Unicamp

"SENSOR ELETROQUÍMICO ULTRA-SENSÍVEL PARA DETERMINAÇÃO DE
COBRE EM NÍVEIS DE FENTOGRAMAS"
0 desenvolvimento de eletrodos quimicamente modificados tem sido objeto
de inúmeras pesquisas nas últimas décadas. 0 principal objetivo do
5 desenvolvimento deste tipo de eletrodo é aumentar a eficiência das reações
eletroquímicas que ocorrem na superfície dos eletrodos. A habilidade de controlar e
manipular deliberadamente as propriedades das superfícies dos eletrodos pode
proporcionar uma variedade de efeitos atrativos, tais como o aumento na
seletividade, sensibilidade e reprodutibilidade (Wang, Electroanalysis 3 (1991) 255;
10 D'Annibale e col., Electroanalysis 11 (1999) 505; Mandler e Turyan, Electroanalysis
8 (1996) 207). Muitas estratégias podem ser utilizadas para a modificação da
superfície dos eletrodos, contudo o emprego de monocamadas auto-organizadas
(MAO), para criar superfícies funcionais bem definidas, tem sido uma das técnicas
mais populares nos últimos anos (Ulman, An introdution to ultrathin organic films,
15 Academic Press (1991); Aizenberg e col., Nature 394 (1998) 868; Mandler e Turyan,
Electroanalysis 8 (1996) 207). As vantagens obtidas com as monocamadas auto-
organizadas incluem simplicidade de preparação, versatilidade, estabilidade,
reprodutibilidade e possibilidade de utilização de diferentes reagentes com os mais
distintos grupos funcionais, o que amplia a gama de aplicações dos eletrodos base
20	 (Flink e col., J. Am. Chem. Soc. 120 (1998) 4652; Everett e Fritsch-Faules, Anal.
Chim. Acta 307 (1995) 253; Gao e Siow, J. Electroanal. Chem. 412 (1996) 179).
Este tipo de modificação emprega camadas monomoleculares que exibem
uma alta organização e que são formadas espontaneamente como uma
conseqüência da imersão de uma superfície sólida em uma solução constituída de
25 moléculas anfóteras. Enquanto que a adsorção deste tipo de molécula é um
resultado da afinidade de um grupo funcional do adsorvente, que apresenta certa
especificidade para interagir com a superfície do substrato, a força motriz para a
organização origina-se a partir de interações hidrofóbicas (por exemplo, do tipo van
der Waals) das cadeias ligadas ao grupo funcional (Mandler e Turyan,
30 Electroanalysis 8 (1996) 207). Um dos sistemas mais utilizados para a confecção de
monocamadas auto-organizadas é a quimissorção de derivados de enxofre (por
exemplo, tióis e dissulfetos) sobre superfícies de ouro (Arrigan e Bihan, Analyst 124
(1999) 1645; Ulman, Chem. Ver. 96 (1996) 1533). A variação da estrutura do grupo
terminal livre do adsorvente permite uma série de estudos fundamentais e práticos,
tais como transferência eletrônica, imobilização de proteínas, aderência e corrosão
(Creager e Olsen, Anal. Chim. Acta 307 (1995) 277; Bandyopadhyay e
5 Vijamohanan, Langmuir 14 (1998) 625). Monocamadas auto-organizadas também
fornecem uma abordagem conveniente para a preparação de superfícies com
propriedades pré-planejadas para o reconhecimento de uma série de analitos
(Mandler e Turyan, Electroanalysis 8 (1996) 207; Arrigan e Bihan, Analyst 124
(1999) 1645; Turyan e col., 13 (2001) 653; Turyan e Mandler, Anal. Chem. 66 (1994)
10 58; Turyan e Mandler, Anal. Chem. 69 (1997) 894). Apesar destas propriedades
proeminentes, existe somente um pequeno número de trabalhos que aplicaram
eletrodos modificados com monocamadas na determinação de íons metálicos,
especialmente para amostras reais. (Rubinstein e col., Nature 332 (1988) 426;
Turyan e Mandler, Anal. Chem. 66 (1994) 58; Turyan e Mandler, Anal. Chem. 69
15 (1997) 894; Yang e col., J. Electroanal. Chem. 516 (2001) 10; Arrigan e Bihan,
Analyst 124 (1999) 1645; Liu e col., Anal. Chem. 71 (1999) 1549; Zeng e col.,
Electroanalysis 14 (2002) 651).
Neste processo descreve-se a complexação reversível de cobre(II) por uma
monocamada de ácido mercaptopropiônico. Esta monocamada com grupos
20 carboxílicos terminais foi utilizada para fornecer uma superfície quimicamente
uniforme para o acoplamento de cobre(II). Os eletrodos modificados com este tipo
de MAO ofereceram um método simples, reprodutível e altamente sensível para a
determinação de cobre(II) em níveis tão baixos quanto de partes por quatrilhão
(ppq). Tais propriedades analíticas são extremamente desejadas, particularmente
25 para suprir as demandas crescentes no monitoramento ambiental de metais
pesados, nas análises clínicas descentralizadas da toxicidade destes metais e no
controle de qualidade de muitos processos industriais, principalmente das indústrias
de bebidas e alimentos. As condições operacionais, otimização e desempenho do
eletrodo modificado foram avaliadas, assim como a aplicação deste novo sensor
30 para medidas rápidas e confiáveis de cobre(II) em amostras de água mineral e
cachaça.
Todos os experimentos descritos foram realizados utilizando-se uma célula
eletroquímica de três eletrodos (eletrodo de trabalho de ouro, eletrodo saturado de
calomelano (ESC) e fio de platina como eletrodos de referência e contra,
respectivamente). Antes da modificação química de sua superfície, o eletrodo de
5 ouro foi fisicamente polido e quimicamente limpo numa solução de H2O2/H2SO4,
para remover qualquer substância orgânica. Após as etapas de limpeza, os
eletrodos foram transferidos para uma solução de ácido mercaptoproniônico durante
o tempo necessário para formar a monocamada. Os eletrodos foram então lavados
com etanol e água para remover as moléculas fracamente adsorvidas.
lo A etapa de pré-concentração de cobre(II) foi realizada mergulhando-se os
eletrodos modificados numa solução contendo íons cobre durante um determinado
tempo e sem a aplicação de potencial. Já a etapa de determinação foi realizada
empregando-se a técnica de voltametria cíclica numa solução tampão. Outras
técnicas eletroanalíticas (por exemplo, pulso diferencial) também foram utilizadas,
15 mas não apresentaram limites de detecção substancialmente menores. 0
procedimento de regeneração do sensor (eliminação de Cu 2+ da monocamada) foi
realizado ciciando os eletrodos em potenciais positivos e em meio ácido (ao redor
de pH 3).
A Figura 1 (curva 1 a) mostra o voltamograma cíclico do eletrodo de ouro
20 modificado com a monocamada de AMP obtido numa solução tamponada sem a
presença de íons cobre, mas após uma etapa de pré-concentração numa solução
contendo 1.0 x 10-1° moi 11 de Cu2+ por 90 segundos. A incorporação bem sucedida
de cobre(II) pela superfície do eletrodo modificado é claramente evidenciada pela
presença de picos anódico (105 mV) e catódico (35 mV) bem definidos. Eles são
25 indubitavelmente devidos à transição Cu 2+-Cu+, desde que um experimento
realizado mergulhando-se, pelo mesmo período de tempo, o eletrodo modificado
numa solução sem cobre não apresentou sinais associados com a óxido-redução de
cobre pré-depositado (curva 1 b). Além disso, experimentos controle, realizados sob
as mesmas condições, demonstraram que o cobre(II) não adsorve sobre a
30 supe rfície de eletrodos de ouro na ausência de AMP (curvas 2a e 2b). Assim, a
resposta voltamétrica do eletrodo de ouro modificado com AMP para ions Cu 2+ pode
ser atribuída à interação entre a monocamada de AMP e o metal. 0 ácido
mercaptopropiônico adsorve sobre ouro através da ligação Au-S (Porter e col., J.
Am. Chem. Soc. 102 (1980) 3559; Bain e Whitesides, J. Am. Chem. Soc. 111 (1989)
7164), deixando os grupos carboxílicos disponíveis para complexar os íons Cu 2+ . Os
grupos –COOH são conhecidos como excelentes grupos quelantes de íons
s metálicos. Além disso, o grupo carboxílico terminal dissocia em soluções com pH
entre 4 e 5 (Zhao e col., Electroanalysis 11 (1999) 1108), fazendo com que a
superfície do eletrodo se torne negativamente carregada. Assim, a incorporação de
Cu2+ pela MAO de AMP também pode ser favorecida por interações eletrostáticas
(Zeng e col., Electroanalysis 14 (2002) 651). A união destas características
io favoráveis é provavelmente um dos fatores responsáveis para que o sensor
proposto apresente uma sensibilidade notável para íons cobre(II).
Visando-se avaliar a interação entre cobre e a superfície do eletrodo, uma
série de voltamogramas foi registrada em diferentes velocidades de varredura (faixa
entre 5 e 1.000 mV s-1 ) numa solução tamponada (pH 6,8) sem a presença de cobre,
is mas após uma etapa de pré-concentração deste metal por 90 segundos numa
solução contendo 5,0 x 10-11 mol 1- 1 de Cu2+. Os gráficos das correntes de pico
anódica e catódica em função da velocidade de varredura apresentaram uma alta
correlação linear entre estas variáveis, indicando tratar-se de uma reação reversível
de uma espécie adsorvida (Laviron, J. Electroanal. Chem. 101 (1979) 19).
20 A dependência da pré-concentração de cobre e da resposta eletroquímica do
cobre adsorvido em função do pH do meio também foi avaliada. A Figura 2(A)
mostra a influência do pH da solução sobre o potencial formal (E° ') do cobre
complexado pela monocamada de AMP, estes dados foram obtidos numa solução
tamponada sem a presença de cobre, mas após uma etapa de pré-concentração
25 numa solução 5,0 x 10-12 moi 11 de Cu2+ por 90 segundos. Pode-se observar um
deslocamento linear para potenciais menores conforme o pH da solução aumenta.
Isto é um indicativo de que uma etapa de protonação/desprotonação esta envolvida
no processo de redox. A Figura 2(B) mostra a influência do pH da solução sobre a
pré-concentração e sobre a detecção de cobre(II). Na etapa de pré-concentração, a
30 taxa de cobre complexado aumenta linearmente com o aumento do pH. Este
comportamento que esta de acordo com o fato de que em meios mais alcalinos, os
grupos carboxílicos dissociam-se ficando mais disponíveis para complexar Cu 2+ . Em
relação ao cobre complexado, a corrente aumenta com o aumento do pH da
solução, atingindo um valor máximo ao redor de pH 6,0. Sendo que após este valor
de pH, o sinal decresce e a curva atinge um patamar. Tal perfil indica que para
valores de pH maiores que 6,0 a interação entre os íons cobre e a monocamada de
5 AMP torna-se mais forte, de tal forma a dificultar a transferência de elétrons entre o
metal e a superfície do eletrodo. Nos experimentos aqui descritos empregou-se
soluções com pH 6,8 (tanto para a pré-concentração, como para a etapa de medida)
a fim de se obter uma boa razão entre sensibilidade e seletividade (que depende do
valor de E°•).
lo A influência de diferentes eletrólitos suportes sobre a pré-concentração de
cobre e sobre a resposta eletroquímica do cobre complexado também foi estudada.
A Figura 3 mostra a resposta do eletrodo modificado com MAO de AMP em tampões
fosfato, HEPES, PIPES e IRIS (sendo que o pH de todas as soluções foi ajustado
em 6,8 e a força iônica em 0,001 moI I -1 ). Tal como pode ser observado, os tampões
15 fosfato e PIPES apresentaram afinidade pelos íons cobre, o que levou a uma
diminuição no sinal analítico. Por outro lado, os tampões HEPES e TRIS não
apresentaram nenhuma interação detectável com Cu2+ . Deste modo, escolheu-se o
tampão TRIS como eletrólito suporte, já que ele possui boa capacidade tamponante
e menor custo.
20 A Figura 4 mostra o efeito do tempo de pré-concentração sobre a resposta do
eletrodo modificado, obtido a partir de soluções (2,5 ml de tampão TRIS 0,01 mol 1 -1
pH 6,8) contendo 10 (a), 25 (b) e 30 (c) pmol 1 1 de Cu2+ . Pode-se observar que a
resposta aumenta em função do tempo de pré-concentração. Sendo que as curvas
atingem um patamar constante ao redor de 10 minutos (o valor exato do tempo de
25 inflexão depende da concentração de cobre). Um tempo de 5 minutos de pré-
concentração foi adotado, uma vez que neste tempo é possível obter análises
rápidas e com uma ampla faixa linear de trabalho, sem comprometer, de forma
significativa, a sensibilidade do sensor.
Outra característica favorável apresentada pelo sensor proposto foi sua fácil
30 regeneração sem afetar a monocamada de AMP. Após um pequeno número de
ciclos voltamétricos em solução ácida, o cobre pode ser completamente removido
da superfície do eletrodo. Tal como pode ser observado na Figura 5, nenhum efeito
"memória" foi observado após a etapa de regeneração (nível alto corresponde a
uma concentração de 10 pmol 1- 1 de cobre; nível baixo representa a resposta obtida
após etapa de regeneração). Além disso, a análise repetida de uma solução
contendo 10 pmol I -1 de cobre, usando o mesmo eletrodo modificado, mostrou um
5 sinal extremamente estável e o eletrodo pode ser usado em inúmeros experimentos
(mais de 350 determinações) sem apresentar mudanças significativas na resposta.
O sensor proposto também apresentou uma excelente repetibilidade, com um
desvio padrão relativo de 3,2 % para uma série de 9 medidas sucessivas de uma
solução 10 pmol 11 de cobre.
io Após otimizar todos os parâmetros que afetam o desempenho do eletrodo de
ouro modificado com AMP, uma curva de calibração foi obtida utilizando-se um
tempo de pré-concentração de 5 minutos e aumentando-se sistematicamente a
concentração de cobre(II) de 1.0 x 1012 até 10.0 x 10-12 moi 1-1 (Figura 6A/6B). Esta
curva mostrou um comportamento linear de acordo com a equação i(pA)=0.1547 (±
15 0,0009) (pA I -1 pmol Cu2+) com r2 = 0,9997 para n = 10. Além disso, o sensor
proposto apresentou uma faixa de resposta linear para concentrações de cobre(II)
de até 1.0 nmol 1 1 . Também obteve-se um notável limite de detecção, estimado
considerando-se 3 óbranoo, de 2,4 x 10-14 mol 1-1 (ou 1,5 ppq, que correspondem a 3,75
fentogramas de cobre no recipiente de pré-concentração). A literatura cientifica não
20 reporta nenhum limite de detecção menor do que o obtido neste trabalho,
principalmente empregando-se técnicas eletroquímicas e usando-se eletrodos
sólidos.
A aplicação analítica do eletrodo modificado com monocamadas de AMP foi
avaliada na determinação de traços de cobre(II) em amostras de água mineral e de
25 cachaça. A cachaça é uma bebida muito popular no Brasil, e sua quantidade de
cobre é regulamentada por lei, devido a freqüentes contaminações verificadas,
principalmente, em cachaças caseiras fabricadas em velhos alambiques de cobre. O
cobre é um elemento importante e está associado com muitos processos biológicos,
onde ele desempenha um papel fundamental na formação de células vermelhas e
30 na manutenção das funções cerebrais normais (Richer e col., Electroanalysis 13
(2001) 760; Barceloux, J. Toxicol. Clin. Toxic. 37 (1999) 217). Entretanto, o excesso
deste metal no organismo pode ser muito tóxico, e deste modo, seu controle em
bebidas e alimentos exige procedimentos analíticos confiáveis, precisos e exatos. A
Tabela 1 mostra a concentração de cobre determinada pelo método de adição de
padrão empregando-se o sensor proposto. É importante ressaltar que as amostras
tiveram que ser diluídas para que suas concentrações de cobre caíssem dentro da
5 faixa linear das curvas de calibração. O fato de algumas amostras serem diluídas
mais de 100.000 vezes antes de sua análise eletroquímica, fez com que qualquer
interferência da matriz fosse praticamente eliminada. Assim, a taxa de recuperação
média das amostras foi de 98,9%, mostrando a validade do método proposto na
aplicação de amostras reais.
10 Estes resultados mostram a utilidade do sensor proposto para a
determinação de cobre em amostras de interesse industrial, clínico e ambiental, sem
a necessidade de nenhum tratamento prévio ou adição de reagentes. Além disso, a
etapa de pré-concentração sem aplicação de potencial aliada com a diluição das
amostras, deixa o sensor proposto menos susceptível a espécies interferentes,
15 eventualmente presentes nas amostras, e permite uma análise mais rápida e mais
sensível do que as obtidas com os tradicionais eletrodos gotejantes de mercúrio ou,
ainda, por espectroscopia de absorção atômica.
Tabela 1 – Determinação de Cu 2+ em amostras de água mineral e cachaça.
Amostra [Cu2+] /1.1g 1
_;
Água mineral A 75,1 ± 2,2
Água mineral B 45,3 ± 1,4
Cachaça industrial 574,7 ± 14,3
Cachaça caseira 945,3 ± 31,2
I	 I	 I	 I	 1
-0,2	 -0,1	 0,0	 0,1	 0,2
potencial N vs ESC
0,3
Figura 1
solução de pré-concentração
	  solução de medida
Figura 2
-6■
co
75-
(15
Ti)
co 50 -
To
o
o_
co 25-
U)
solução de pré-concentração
	 solução de medida
fosfato hepes	 pipes
eletrólito suporte
Iris
Figura 3
i	 I	 I	 I	 i
200	 400	 600	 800	 1000
tempo de pré-concentração / s
o
Figura 4
10	 20	 30	 40	 50
número de determinações
0 60
Figura 5
I	 I	 I	 I	 1
-0,2	 -0,1	 0,0	 0,1	 0,2
potencial N vs ESC
0,3
1	 I	 I	 .	 1	 1
0	 2	 4	 6	 8	 10
[Cu2+] 110-' 2 mol 11
Figura 6
REIVINDICAÇÕES
1. "SENSOR ELETROQUÍMICO ULTRA-SENSÍVEL PARA DETERMINAÇÃO DE
COBRE EM NÍVEIS DE FENTOGRAMAS", caracterizado por desenvolver, montar e
otimizar um sensor eletroquimico capaz de determinar e quantificar cobre(II) de
5 forma simples, robusta, estável e extremante sensível.
2. "SENSOR ELETROQUÍMICO ULTRA -SENSÍVEL PARA DETERMINAÇÃO DE
COBRE EM NÍVEIS DE FENTOGRAMAS", caracterizado pela utilização de
monocamadas auto-organizadas, adsorvidas sobre eletrodos de ouro, como
elemento de reconhecimento de cobre(II) por complexação.
io 3. "SENSOR ELETROQUÍMICO ULTRA-SENSÍVEL PARA DETERMINAÇÃO DE
COBRE EM NÍVEIS DE FENTOGRAMAS", caracterizado por permitir uma etapa de
pré-concentração de cobre em meio distinto do utilizado para a medida
eletroquímica, conferindo versatilidade e robustez ao sistema de detecção,
principalmente para o monitoramento de cobre em amostras de interesse ambiental,
15	 industrial e biológico.
RESUMO
"SENSOR ELETROQUÍMICO ULTRA-SENSÍVEL PARA DETERMINAÇÃO DE
COBRE EM NÍVEIS DE FENTOGRAMAS"
O presente processo descreve o desenvolvimento de sensores voltamétricos
5 ultra-sensíveis para determinação eletroquímica de cobre (II). Os sensores
desenvolvidos consistem de eletrodos de ouro modificados com monocamadas
auto-organizadas de ácido mercaptopropiônico. Tais eletrodos modificados
mostraram uma grande habilidade para pré-concentrar íons cobre em solução,
oferecendo um método simples e reprodutível para a determinação extremamente
i0 sensível deste elemento (na ordem de partes por quatrilhão (ppq)). A resposta dos
sensores foi investigada quanto a sua dependência em relação a vários parâmetros
experimentais, tais como pH, eletrólito suporte e tempo de pré-concentração. O
sensor desenvolvido apresentou uma ampla faixa linear de trabalho (entre 1,0 x 1 0-12
e 1,0 x 10"9 mol 11 de cobre(II)), com um limite de detecção de 2,4 x 10 -14 mol 11(1,5
15 ppq ou 3,75 fentogramas (10 -15 g) de cobre num volume de 2,5 ml) após 5 minutos
de pré-concentração. Além disso, este sensor também apresentou uma excelente
repetibilidade, com um desvio padrão relativo de apenas 3,2% para uma série de 9
medidas sucessivas de uma solução 10,0 x 10-12 mol 11 de cobre (II). A
aplicabilidade deste sensor na análise de amostras de interesse clínico, industrial e
20 ambiental foi avaliada monitorando-se a concentração de cobre em amostras de
água mineral e de cachaça.


Sensor Eletroquìmico Ultra-sensìvel Para Determinação De Cobre Em Nìveis De Fentogramas

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Sensor Eletroquìmico Ultra-sensìvel Para Determinação De Cobre Em Nìveis De Fentogramas

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