Conforme mencionado anteriormente, neste caso foram funcionalizados filmes de silício microporoso (PS) com moléculas de azul de metileno, obtendo-se um eletrodo modificado de PS-MB.
Foi utilizada espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) para estudar o comportamento do eletrodo de PS modificado em soluções num eletrólito sob diferentes concentrações. Finalmente, discutiu-se o modelo elétrico do dispositivo para aplicação como sensor eletroquímico.
As medidas realizadas dependiam de eletrólitos para aumentar a condutividade da solução. Assim, diluiu-se NaCl - por ser um sal facilmente obtido - em 100 mM em água deionizada com condutividade menor que 2 mS / cm.
A solução tampão utilizada na calibração do instrumento foi obtida dissolvendo-se HCl e NaOH na solução aquosa de NaCl, resultando em uma solução com valor de
o eletrodo conjugado apresentado na figura 2 e calibrado com referência numa solução-tampão comercial (pH = 6,38) que obedece às especificações que a qualifica como reagentes de grau analítico [32].
A solução-tampão foi utilizada não só na calibração do pH-metro, mas também no próprio experimento para manter o pH constante no valor apresentado. Isto foi possível devido à baixa interação iônica existente entre as moléculas das substâncias da solução-tampão com outros íons externos à molécula.
A solução-tampão utilizada foi:
-Solução tampão pH = 7 (25 °C) - Padrão primário: consiste em 3,387 g de fosfato monobásico de potássio (KH2PO4) e 3,533 g de fosfato básico de sódio (Na2HPO4) solubilizados em água destilada própria para preparação de tampão, à 25 °C, e diluídos para 100 mL [33].
As medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica foram obtidas na faixa de freqüência de 0 a 13 MHz utilizando-se soluções de KCl e NH4Cl nas concentrações de 0,25 M, 0,5 M e 1 M, mantendo-se o valor de pH constante e igual a 7.
A figura 27 mostra o diagrama de Nyquist, mostrando a dependência da freqüência com a impedância do eletrodo de PS-MB modificado em 0,25 M, 0,5 M e 1 M de solução aquosa de KCl. A curva mostra dois comportamentos característicos; a região de baixa e de alta freqüência. No primeiro caso, a curva mostra um comportamento linear, cuja resposta indica a existência de elemento distribuído. Portanto, o sistema é controlado por processo de difusão de contra-íons, o que pode ser representado por uma impedância adicional no circuito equivalente da figura 29, sendo este elemento de impedância conhecido como impedância de Warburg. A região de alta freqüência mostra um semi-círculo característico. A falta de definição do semi-círculo deve-se à elevada resistência elétrica da interface solução/PS-MB, pois o filme de PS foi submetido a um processo de pré-oxidação, mas o fato da curva relembrar a forma de um semi-círculo nesta região pode ser atribuído ao valor
finito desta resistência causado pelo nível de defeitos locais na interface PS / MB. O comportamento indutivo em alta freqüência (figura 27 (b)) pode ser atribuído ao processo de adsorção / desadsorção de contra-íons na superfície da interface. As figuras 28 (a) e 28 (b) mostram o plano da impedância de acordo com o formalismo de Nyquist para a solução aquosa de NH4Cl nas concentrações de 0,25 M, 0,5 M e 1 M, respectivamente. Basicamente, as curvas mostram o mesmo comportamento na solução de KCl. Entretanto, vale a pena mencionar que os parâmetros extraídos destas curvas dependem do tipo de íons utilizados, conforme discutido adiante.
(a)
(b)
Figura 27 - Gráficos da impedância no plano complexo para o KCl em
3 diferentes concentrações. Curvas para 3 diferentes concentrações
(a)
(b)
Figura 28 - Gráficos da impedância no plano complexo para o NH4Cl
em 3 diferentes concentrações. Novamente o processo é dominado por difusão (a). Em altas freqüências, nota-se comportamento indutivo (b).
Figura 29 - Circuito equivalente com Rs=resistência da
solução, Cdl=capacitância da dupla camada, Rct=resistência
da reação de transferência de carga, W=impedância de Warburg.
A declividade das curvas na região de baixa freqüência mostra monotonicamente a dependência da concentração iônica com o incremento da declividade (tabela 2) em ambos os casos. Estas declividades foram obtidas para 40-50 V / década de corrente, diferentes da obtida para o eletrodo ideal (10 V / década de corrente). O filme de PS apresenta estrutura porosa, que pode ser representada por uma combinação complexa de elementos elétricos, bem como a linha de transmissão contrária para a representação num circuito equivalente muito simples para eletrodo ideal. Então as declividades observadas no presente trabalho podem ser atribuídas à característica porosa do eletrodo de PS-MB. Comparando-se os valores de declividade do KCl e do NH4Cl, observa-se que os maiores valores de declividade na solução de KCl estão relacionados ao tipo de íon, com massas diferentes, embora ambos sejam monovalentes. Estes resultados mostram que o eletrodo modificado tem propriedades seletivas ao tipo de íon.
Os pontos de intersecção das curvas com o eixo real relacionam-se à resistência da solução (tabela 2); estas resistências mostram um comportamento monotônico quanto à concentração iônica, com valores que decrescem com o aumento da concentração iônica. Em baixa concentração (0,25 M), as espécies KCl e NH4Cl apresentam a mesma resistência volumétrica. Mas nas concentrações de 0,5 M e 1 M, a solução de NH4Cl apresenta baixos valores de resistência. Finalmente, vale a pena mencionar que o eletrodo modificado de PS-MB mostrou a propriedade de se recuperar após limpo em água DI corrente.
na região de alta freqüência para as soluções de KCl e NH4Cl.
KCl
Concentração (M) - ∆Im / ∆Re Z = Re (Ω)
0,25 2,0053 114,07
0,5 2,2921 81,87
1 2,3019 58,29
NH4Cl
Concentração (M) - ∆Im / ∆Re Z = Re (Ω)
0,25 1,9558 114,91
0,5 2,1745 75,32
1 2,1590 52,89
O comportamento da declividade (na região de baixa freqüência) mostrou-se diferente em relação ao eletrodo ideal, em concordância com a característica porosa do eletrodo modificado de PS-MB.
O comportamento indutivo do eletrodo (na região de alta freqüência) foi atribuído ao processo de adsorção / desadsorção na superfície do eletrodo.
5 CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos no presente trabalho, pode-se concluir que:
O eletrodo modificado de PS-MB estudado apresenta elevada estabilidade e comportamento reprodutível devido à facilidade de recuperação de moléculas de MB em água DI.
A formação de silício poroso utilizando-se DMF em solução eletroquímica de HF promoveu a formação de filmes de PS com macroporos de elevada razão de aspecto (diâmetros médios de 1 µm e profundidade de 10 µm), resultando num ótimo substrato devido a sua elevada superfície específica, característica importante na aplicação como dispositivo sensor.
O filme macroporoso obtido para ser utilizado como eletrodos de trabalho em dispositivos eletroquímicos devido a sua baixa resistência elétrica.
Eletrodos de PS macroporos modificados com moléculas de MB apresentaram um bom desempenho como dispositivos sensores de pH, mostrando que o pré- tratamento de superfície do filme de macroporoso com moléculas de Cl3SiR (silanos) em tolueno promoveu melhor estabilidade e desempenho do eletrodo modificado com MB.
O eletrodo de PS microporoso modificado com moléculas de MB mostrou sensibilidade e seletividade na detecção de íons através da técnica de impedância eletroquímica, pois a resistência série obtida através da técnica de impedância eletroquímica mostrou elevada sensibilidade à concentração iônica. A declividade das curvas no plano de Nyquist também se mostrou sensível à concentração iônica.
Os resultados experimentais mostram que a interface desenvolvida no presente trabalho pode ser utilizada com sucesso no desenvolvimento de sensores
pH.
Como conseqüência dos resultados obtidos nos eletrodos de PS-MB, pode-se inferir a possibilidade de aplicar estes eletrodos no desenvolvimento de biossensores e Chips de DNA, como desafios futuros.
REFERÊNCIAS
[1] Martín-Palma, R. J.; Torres-Costa, V.; Arroyo-Hernández, M.; Manso, M.; Pérez-Rigueiro, J. ; Martínez-Duart, J. M. Porous silicon multilayer stacks for optical biosensing applications. Microelectronics Journal, In Press, Corrected Proof, 2003.
[2] Schöning, M. J.; Kurowski, A.; Thust, M.; Kordos, P.; Schultze, J. W.; Lüth, H. Capacitive microsensors for biochemical sensing based on porous silicon technology. Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 64, p. 59-64, issues 1-3, June 2000.
[3] Salcedo, W. J.; Fernandez, F. J. R.; Galeazzo E. Structural Characterization of Photoluminescent Porous Silicon with FTIR Spectroscopy. Brazilian Journal of Physics, vol. 27, no. 4, p. 158, 1997.
[4] Stradiotto, N.; Yamanaka, H.; Zanoni, M. V. Electrochemical Sensors: A Powerful Tool in Analytical Chemistry. Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, CP 355, 14801-970 Araraquara - SP, Brazil. J. Braz. Chem. Soc., vol. 14, no. 2, p. 159-173, 2003.
[5] Thust, M.; Schöning, M. J.; Schroth, P.; Malkoc, Ü.; Dicker, C. I.; Steffen, A.; Kordos P.; Lüth, H. Enzyme immobilisation on planar and porous silicon substrates for biosensor applications. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, volume 7, issues 1-4, p. 77-83, 1999.
[6] Bergveld, P. ISFET, Theory and Practice. Sensors and Actuators B 88, p1-20, 2003.
[7] Bates, R.G.; Guggenheim, E.A.. A Report on the Standardization of pH and Related Terminology. Pure Appl. Chem. vol. 1, p. 163, 1960.
[8] Buck, R. P.; Rondinini, S.; Covington, A. K.; Baucke, F. G. K.; Brett, C. M. A.; Camôes, M. F.; Milton, M. J. T.; Mussini, T.; Naumann, R.; Pratt, K. W.; Spitzer, P.; Wilson, G. C. Measurement of pH. Definition, Standards and Procedures. Pure Appl. Chem., vol. 74, p. 2169-2200, 2002.
[9] Oliveira, R. Apostila do curso Análise de Água e de Esgotos. Departamento de Eng. Civil do CCT/UFPB, 2000.
Vospelová, A; Hans-Bjarne Kristensen; Kozlowski, W; Kuselman, I.; Hwang, E.; Ivanova, D.; Pratt K.; Spitzer, P. Report of the Study CCQM-P37: Fundamental Studies of pH Standards (draft 2). Slovak Institute of Metrology, Bratislava, 2002.
[11] Vonau, W.; Enseleit, U.; Gerlach, F.; Herrmann, S. Conceptions, materials, processing technologies and fields of application for miniaturized electrochemical sensor with planar membranes. Electrochimica Acta 49, p. 3745-3750, 2004.
[12] Sedra, A. S.; Smith, K. C. Microeletrônica. 2a. edição, Makron Books, p.1158, , 2000.
[13] Ticianelli, E. A.; Gonzales, E. R. Eletroquímica: Princípios e Aplicações. EDUSP, 1998.
[14] Caras, S.; Janata, J. Anal. Chem. 52, p. 1935, 1980.
[15] Fabry P. and Laurant-Yvonnou L. Electroanal. Chem. 286, p. 23, 1990.
[16] Schöning, M. J.; Sauke, M.; Steffen, A.; Marso, M.; Kordos, P.; Lüth, H.; Kauffmann, B. Sens. Actuators B 26-27, p. 325, 1995.
[17] Zhang, G.; Shuang, S.; Dong, C.; Pan, J. Study on the interaction of methylene blue with cyclodextrin derivatives by absorption and fluorescence spectroscopy. Department of Chemistry, Shanxi University, Shanxi, Taiyuan 030006, 5 February 2003.
[18] OZKAN, D., KARA, P., KERMAN, K., MERIC, B., ERDEM, A.. DNA and PNA sensing on mercury and carbon electrodes by using methylene blue as an electrochemical label. Bioelectrochemistry 58, p. 119-126, 2002.
[19] A. Legin, S. Makarychev-Mikhailov, O. Goryacheva, D. Kirsanov, Y. Vlasov. Cross-sensitive chemical sensors based on tetraphenylporphyrin and phthalocyanine. Analytica Chimica Acta 457, p. 297–303, 2002.
[20] JOCKUSCH, S., TURRO, N. J., TOMALIA, D. A. Aggregation of Methylene Blue Adsorbed on Starburst Dendrimers. Macromolecules 28, p. 7416-7418, 1995.
[21] Cheng, K. L.; Ueno, K.; Imamura, T. Handbook of Organic Analytical Reagents. p. 454 e p. 464, 2000.
[22] Cechelero, G. S. S.; Ramirez-Fernandez, F. J.; Salcedo, W. J. Porous Silicon Electrode Modified With Methylene Blue. Electrochem. Soc. Proceedings, vol. 8, p. 421-428, 2005.
[23] Lust, S.; Lévy-Clément, C. Chemical Limitations of Macropore Formation on Medium-Doped P-Type Silicon. Journal of The Electrochemical Society, 149, p. 338-344, 2002.
[24] Archer, M.; Christophersen, M.; Fauchet, P. M. Electrical porous silicon chemical sensor for detection of organic solvents. Sensors and Actuators B 106, p. 347-357, 2005.
[25] Foll, H., Christophersen, M., Carstensen, J., Hasse, G. Formation and application of porous silicon. Materials Science and Engineering R 39, p. 93– 141, 2002.
[26] KOBAYASHI, H., SASAKI, M., OHSAWA, N., YASUDA, K., KOTANI, M. Fluorescence and Its Density-Dependent Quenching of a Sub-Monolayer Film of Methylene Blue Prepared by Dip Coating. Journal of Physics and Chemistry C, 111, p. 268-271, 2007.
[27] LU, Z., DONG, S. Preparation and Electrochemical Behaviour of a methylene blue - mofified electrode based on a Nafion polymer film. Journal of Chemistry, Soc., Faraday Trans. 1, 84(9), 2979 - 2986, 1988.
[28] Edmund Bishop, Indicator. Pergamon Press, Oxford, p. 503-504, 1972.
[29] WANG, B., LI, B., WANG, Z., XU, G., WANG, Q., DONG, S. Sol-Gel Thin-Film Immobilized Soybean Peroxidase Biosensor for the Amperometric Determination of Hydrogen Peroxide in Acid Medium. Anal. Chem. 71, 1935-1939, 1999.
[30] STOYANOVA, D., VELLUTINI, L., FROYER, G. Modification des propriétés de surface du Si poreux par greffage d'organo-silanes. Poster A2-14 , Journées Polymères Conducteurs (JPC 05), Batz/Mer France, 12-16 Septembre 2005.
[31] SALCEDO, W. J. Contribuição ao Desenvolvimento de Sensores com Silício Poroso. Dissertação de mestrado, EPUSP, 1994.
[32] AR (Analytical Reagent Grade). [33] APHA et al. Standard Methods. 1995.
ANEXO A – Especificação do MB
BOLETIM DE GARANTIA HALOQUIMICA
AZUL DE METILENO
(Aquoso)
LOTE NUMERO .: ... 011982 DATA FABRICAÇÃO .: ... 05/2006 DATA DE VALIDADE.: ... 05/2007
COMPOSIÇÃO.: AZUL DE METILENO
ÁGUA DEIONIZADA
E S P E C I F I C A Ç Õ E S
AZUL DE METILENO Rastreado
Lote 07886 Fabricante.: Haloquimica
Data de Fabricação.: Janeiro 2004 Data Validade.: Janeiro 2007
C.I. 52015; METHYLTHIONINE CHLORIDE;
3,7-bis[DIMETHYLAMINO]PHENAZOTHIONIUM CHLORIDE)
FORMULA..: C
16H
18CIN
3S.3H
2O
P.M. 373,9
PROCEDENCIA.: Alemanha USO.: BACTERIOLOGIA E HISTOLOGIAALTERNATIVA PARA VISUALIZAÇÃO DO ÁCIDO NUCLEICO EM GEL Água Deionizada - Passa no Teste
Armazenagem.: Manter o frasco hermeticamente fechado ao abrigo de intempéries Precauções..: No manuseio da solução; Usar luvas, óculos, e avental de proteção. ENGENHEIRO QUIMICO RESPONSÁVEL .: C. MONTEIRO C.R.Q. IV. 04306834