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LUCIANA ARAÚJO NASCIMENTO

ESTUDO SOBRE A FORMAÇÃO DE FILMES AUTOMONTADOS DE QUITOSANA COM

COMPLEXOS DE FERRO E RUTÊNIO NITROSIL

NATAL, RN

2016

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em

Química, como um dos requisitos para obtenção do grau de

Doutora em Química, pela Universidade Federal do Rio

Grande do Norte.

Orientador: Prof. Dr. Ótom Anselmo de Oliveira

Co-orientadora: Profa. Dra. Ana Cristina Facundo de

Brito Pontes

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Catalogação da publicação na fonte. Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Sistema de Bibliotecas Biblioteca Setorial do Instituto de Química

Nascimento, Luciana Araújo. Estudo sobre a formação de filmes automontados de quitosana com complexos de ferro e rutênio nitrosil / Luciana Araújo Nascimento. - Natal, RN, 2016. 130 f. : il. Orientador: Prof. Dr. Ótom Anselmo de Oliveira. Coorientador: Profa. Dra. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes. Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016. 1. Quitosana - Tese. 2. Complexos nitrosil - Tese. 3. Filmes automontados - Tese. 4. Sensor eletroquímico - Tese. 5. Química - Tese. I. Oliveira, Ótom Anselmo de. II. Pontes, Ana Cristina Facundo de Brito. III.Título. RN/UF/BS-IQ CDU 547.995(043.2)

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AGRADECIMENTOS

Quatro anos se passaram desde o início da caminhada do doutorado e esse período foi de

muitos acontecimentos, muitas mudanças, trabalho, esforço, e de aprendizado, não só acadêmico,

mas sobretudo, de vida. E é chegado o momento de agradecer a todas as pessoas que estiveram

ao meu lado nesse período, que me apoiaram, me encorajaram e que me deram suporte para a

concretização desse sonho.

Primeiramente, agradeço a Deus por me proteger e ter-me concedido o dom da fé e da

esperança. Por me fazer forte, capaz de superar todas as dificuldades com um sorriso no rosto e

tranquilidade no olhar, por me mostrar a cada dia que tudo o que vivemos não é em vão, mas que

Ele nunca nos abandona e está sempre ao nosso lado.

Aos meus pais, Francisco Elias e Ana Lúcia e, minha tia Maria do Socorro Pereira, que

me incentivam, acreditam em mim, vibram com minhas conquistas e que se orgulham da pessoa

que sou. Por entenderem (ou não) os meus momentos de ausência, por cuidarem de mim, por

quererem meu bem. Agradeço carinhosamente à Marina, Matheus, JH, JK, Marcinho, Angélica e

Carol por estarem sempre ao meu lado, torcerem por mim e por saber que posso contar

incondicionalmente com vocês.

Ao Prof. Dr. Ótom Anselmo de Oliveira e à Profa. Ana Cristina Facundo de Brito Pontes

que me receberam de braços abertos e foram de extrema generosidade comigo. Me deram muito

mais que conhecimento, me deram amizade, uma palavra amiga, um conselho quando

necessário. Só tenho a lhes agradecer pelos ensinamentos, dedicação, paciência e disposição por

estarem percorrendo esse caminho ao meu lado.

Ao Prof. Dr. George Dantas de Azevedo (coordenador do curso de medicina/EMCM-RN

- Caicó), à Profa. Dra. Elaine Lira Medeiros Bezerra (coordenadora do curso de medicina) e ao

Prof. Dr. Henio Ferreira de Miranda (Diretor do CCS), chefes que compreenderam a minha

necessidade de me qualificar e me deram todo o apoio institucional necessário.

Agradeço calorosamente às pessoas que, por 4 anos, foram minha família temporária: os

amigos que fiz no Laboratório de Química de Coordenação e Polímero (LQCPol) – Aimée,

Alexsandro, Anallicy, Andresa, Blenda, Clara, Dayanna, Francimar, Giullia, Kleber, Lenilton,

Mayara, Nayara, Thuanny, Roseane, Verônica e Wendy, e aos amigos do programa de pós-

graduação em química, na pessoa de Hélson Ricardo. Nossa convivência diária e trocas de

experiências fizeram com que cada um de vocês contribuísse com essa conquista.

À Paula Carvalho, Diogo Santos, Rafaella Paiva, Luanna Paiva e Kelly Joyce, anjos de

luz que Deus me permitiu conhecer e que me fazem perceber que amizade é um dos sentimentos

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mais profundos e verdadeiros que alguém pode sentir. Minha eterna gratidão a vocês por fazerem

parte da minha vida.

À central analítica, em especial aos técnicos Elane e Joadir; ao Prof. Dr. Carlos Alberto

Martinez Huitle, à amiga e Dra. Danyelle Medeiros de Araújo e a todos do Laboratório de

Eletroquímica Ambiental e Aplicada; ao técnico Igor Damasceno, do DMAT; ao técnico

Artejose Revoredo, do NUPPRAR e todos os servidores e funcionários do Instituto de Química

da Universidade Federal do Rio Grande do Norte que contribuíram para a realização deste

trabalho.

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RESUMO

A quitosana (Qt) possui grande aplicação tecnológica devido apresentar características

de atoxidade, biodegradabilidade e ser renovável. O fato de ser um polímero catiônico faz com

que seja capaz de formar filmes através da técnica de automontagem (self-assembly), permitindo

sua interação com compostos diversos. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo

avaliar a influência da purificação da Qt nas formas neutra, acetato e cloridrato na construção de

filmes automontados pela sua interação com complexos nitrosil (NPS e RubpyNO). Análises do

grau de desacetilação, viscosimetria, infravermelho e análise térmica mostraram que as Qt

purificadas apresentam características distintas. A formação dos filmes foi monitorada por

espectroscopia na região do Uv-Vis e caracterizados através das técnicas de espectroscopia por

infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TG/DTG), voltametria cíclica (VC),

microscopia eletrônica de varredura (MEV) e energia dispersiva de Raios-X (EDS). Os

resultados mostraram que as Qt neutra e acetato formam filmes com crescimento linear e

homogêneo, com a interação de ambos os materiais confirmada pela técnica de FTIR. Os

resultados de voltametria cíclica mostram que filmes de Qt neutra e acetato com os complexos

comportam-se como processos semi-reversíveis, exceto o filme de QtAcetato/RubpyNO, que

apresenta-se como um processo irreversível. Observou-se que o método de purificação da

quitosana interfere no processo redox apresentado pelos filmes devido à forma de interação mais

fraca ou mais forte das partículas de acordo com a carga apresentada pelos policátions e

poliânions em solução, durante a formação do filme automontado. As imagens obtidas por MEV

e EDS confirmaram a presença de camadas organizadas com uma cobertura uniforme e

distribuição homogênea dos elementos na superfície do filme. A análise de TG/DTG confirmou

a estabilidade térmica dos filmes antes e após serem submetidos a VC. Testes de reação dos

filmes com ácido ascórbico (AA) e cisteína mostraram que o filme de QtNeutra/RubpyNO foi o

que apresentou melhor resposta para ambas as substâncias. Uma equação da reta foi sugerida

para a determinação de AA pelo filme de QtNeutra/RubpyNO e, para a determinação da cisteína,

estudos complementares são necessários.

Palavras Chave: Quitosana, complexos nitrosil, filmes automontados, sensor eletroquímico.

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ABSTRACT

Chitosan (Qt) has great technological application due to present atoxic features, biodegradable

and renewable. The fact that a cationic polymer makes it capable of forming films by self-

assembly technique, allowing its interaction with various compounds. In this context, this study

aimed to evaluate the influence of purification of Qt in the neutral, acetate and hydrochloride

forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and

RubpyNO). Analysis of the degree of deacetylation, viscometry, infrared and thermal analysis

showed that the purified Qt have different characteristics. The formation of the films was

monitored by spectroscopy in the Uv-Vis region and characterized through spectroscopic

techniques infrared (FTIR), thermal analysis (TG/DTG), cyclic voltammetry (CV), scanning

electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray (EDS). The results showed that Qt

neutral and acetate forming films linear and homogeneous growth, with the interaction of both

materials confirmed by FTIR technique. The results show that cyclic voltammetry of the neutral

and acetate Qt films and the complex behave as semi-reversible processes, except the film

QtAcetato/RubpyNO, which presents itself as an irreversible process. It was observed that chitosan

affects the purification method presented in the redox process for the films due to the shape of

weaker or stronger interaction of the particles according to the load presented by polycations and

polyanions in solution during the formation of automounted film. The images obtained by SEM

and EDS confirmed the presence of layers arranged with uniform coverage and homogeneous

distribution of the elements in the film surface. The TG/DTG analysis confirmed thermal

stability of the films before and after being subjected to VC. Reaction rolls of film with ascorbic

acid (AA) and cysteine showed that the film QtNeutra/RubpyNO showed the best response to both

substances. A straight line equation has been suggested for the determination of AA by

QtNeutra/RubpyNO film and for the determination of cysteine, additional studies are required.

Keywords: Chitosan, nitrosyl complexes, self-assembled films, electrochemical sensor.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação das unidades repetidoras da quitina e quitosana.............. 23

Figura 2 - Comparação entre as estruturas químicas da quitina e celulose............... 26

Figura 3 - Estrutura do íon [Fe(CN)5(NO)]2-

............................................................ 30

Figura 4 - Estrutura química do íon complexo RubpyNO........................................ 33

Figura 5 - Estrutura química do ácido ascórbico (a) e do ácido desidroascórbico

(b)............................................................................................................. 34

Figura 6 - Estrutura química da cisteína................................................................... 37

Figura 7 - a) Representação das multicamadas de filmes automontados em um

substrato sólido. b) Detalhe da interação eletrostática entre o policátion

e poliânion................................................................................................ 41

Figura 8 - Representação esquemática dos principais componentes de um sensor

eletroquímico............................................................................................ 44

Figura 9 - Transições eletrônicas observadas na espectroscopia de Uv-Vis............ 46

Figura 10 - Modos vibracionais de ligações similares unidas por um átomo comum

(H–C–H). Os sinais + e – indicam os movimentos perpendiculares ao

plano da página....................….............................................................. 50

Figura 11 - Representação de uma cela eletroquímica................................................ 53

Figura 12 - Exemplo de um voltamograma típico em que: Epc é o potencial de pico

catódico; Epa, potencial de pico anódico; ipc, corrente de pico catódico;

e ipa, corrente de pico anódico.................................................................. 55

Figura 13 - Micrografias de discos de titânio revestidos com quitosana por SE (a) e

BSE (b)..................................................................................................... 57

Figura 14 - Imagem da seção de uma esfera de quitosana carregada com prata

obtida por MEV (a) e mapeamento por EDS quantitativo (b) e

qualitativo dos elementos carbono (c), oxigênio (d) e prata (e)............... 59

Figura 15 - Aspecto das amostras de quitosana purificadas nas formas: neutra (a),

acetato (b) e cloridrato (c)........................................................................ 70

Figura 16 - Proposta de estrutura para as quitosanas purificadas nas formas neutra

(a), acetato (b) e cloridrato (c).................................................................. 70

Figura 17 - Curvas condutométricas das amostras de quitosana neutra ( ), acetato

( ) e cloridrato ( ) solubilizadas em HCl 0,05 mol/L para

determinação do grau de desacetilação.................................................... 71

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Figura 18 - Curva de viscosidade específica versus concentração da QtNeutra ( ),

QtAcetato ( ) e QtCloridrato ( ), em tampão ácido acético/acetato a 25 °C

± 0,1…………………………………………………………………….. 73

Figura 19 - Espectros vibracionais na região do infravermelho das amostras de

QtNeutra (___

), QtAcetato (___

) e QtCloridrato (___

) em pastilha de KBr............... 74

Figura 20 - Espectros vibracionais na região do infravermelho das amostras de

QtNeutra (___

), QtAcetato (___

) e QtCloridrato (___

) em pastilha de KBr na

região de 2000 a 500 cm-1

........................................................................ 75

Figura 21 - Relação inter ou intramolecular provocada pelo sal que desestabiliza a

cadeia (___

) e suas respectivas derivadas (----) das amostras de

quitosana purificadas nas formas neutra (a), acetato (b) e cloridrato (c) 77

Figura 22 - (a) Espectro eletrônico dos complexos NPS (___

) e RubpyNO (___

)

obtidos em metanol; (b) Destaque das bandas de absorção na região

entre 300 e 600 nm do espectro eletrônico do NPS................................. 80

Figura 23 - Espectro de absorção na região do infravermelho obtido em pastilha

KBr para (a) NPS e RubpyNO (b)............................................................ 82

Figura 24 - Voltamograma cíclico da solução de ferricianeto de potássio 0,1 mol/L

obtido em solução de KCl 0,1 mol/L, pH = 6,7 e eletrodo de referência

de Ag/AgCl............................................................................................... 84

Figura 25 - Voltamogramas cíclicos dos complexos (a) NPS e (b) RubpyNO,

obtido em solução de KCl 0,1 mol/L utilizando o eletrodo de carbono

vítreo como eletrodo de trabalho.............................................................. 85

Figura 26 - Acompanhamento do crescimento do filme de QtNeutra com NPS (a) e

RubpyNO (b), ambos com 20 bicamadas (bcm)...................................... 87

Figura 27 - Acompanhamento do crescimento dos filmes de QtNeutra/NPS

( ),QtAcetato/NPS ( ) e QtCloridrato/NPS ( ) a 270 nm (a) e dos filmes

de QtNeutra/RubpyNO ( ),QtAcetato/RubpyNO ( ) e

QtCloridrato/RubpyNO ( ) a 293 nm (b)...................................................... 88

Figura 28 - Espectros de IV dos filmes de (a) QtNeutra/NPS (___

) e QtNeutra/RubpyNO

(___

) depositados em placa de quarto........................................................ 90

Figura 29 - Curvas termogravimétricas (___

) e suas respectivas derivadas (- - - -)

dos filmes de QtNeutra/NPS (a), QtNeutra/RubpyNO (b) QtAcetato/NPS (c)

e QtAcetato/RubpyNO (d).......................................................................... 92

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Figura 30 - Voltamograma cíclico do ITO em solução salina de KCl 0,1 mol/L,

velocidade de varredura de 50 mV.s-1

...................................................... 94

Figura 31 - Voltamograma cíclico do filme de NPS 77,2 mmol/L (a), do filme de

RubpyNO 35,3 mmol/L (b) com 1 bicamada obtido em solução salina

de KCl 0,1 mol/L e eletrodo de trabalho de Ag/AgCl...........................

95

Figura 32 - (a) Análise eletroquímica do filme de QtNeutra/NPS em solução de KCl

0,1 mol/L a diferentes taxas de varredura: 5 mV.s-1

(___

), 10 mV.s-1

(___

), 25 mV.s-1

(___

), 50 mV.s-1

(___

), 75 mV.s-1

(___

) e 100 mV.s-1

(___

).

(b) crescimento do pico de oxidação com a velocidade de varredura.

Dados obtidos em solução eletrolítica de KCl 0,1 mol/L e eletrodo de

referência de Ag/AgCl………………………………………………...... 97

Figura 33 - Voltamograma cíclico do filme de (a) QtNeutra/NPS, (b) QtAcetato/NPS,

(c) QtNeutra/RubpyNO e (d) QtAcetato/RubpyNO em KCl 0,1 mol/L.......... 98

Figura 34 - Relação da variação de potencial versus velocidade de varredura para o

filmes de QtNeutra/NPS ( ), QtNeutra/RubpyNO (

), QtAcetato/NPS (

) 101

Figura 35 - Estiramento dos filmes de QtNeutra/NPS (___

) e QtNeutra/RubpyNO (___

)

em (a), e, em (b), dos flmes de QtAcetato/NPS (___

) e QtAcetato/RubpyNO

(___

) em pastilha de KBr após a análise por voltametria cíclica............... 102

Figura 36 - Comportamento térmico dos filmes após estes serem submetidos a VC

em KCl 0,1 mol/L para QtNeutra/NPS (a) e QtAcetato/NPS (b).................... 103

Figura 37 - Imagens de MEV dos filmes de QtNeutra/NPS (a) e QtAcetato/NPS (b)....... 104

Figura 38 - Análise de EDS do filme de QtNeutra/NPS. Distribuição dos elementos:

(a) carbono, (b) oxigênio, (c) nitrogênio e (d) ferro................................. 104

Figura 39 - Representação da interação entre a QtNeutra e o (a) NPS e (b) RubpyNO. 105

Figura 40 - Comportamento voltamétrico da solução de AA nas concentrações 8

mmol/L (___

), 15 mmol/L (___

), 20 mmol/L (___

), 25 mmol/L (___

) e 30

mmol/L (___

) em KCl 0,1 mol/L quando analisados pelo filme de

QtNeutra/NPS.............................................................................................. 107

Figura 41 - Comportamento voltamétrico da solução de AA nas concentrações 8

mmol/L (___

), 15 mmol/L (___

), 20 mmol/L (___

), 25 mmol/L (___

) e 30

mmol/L (___

) em KCl 0,1 mol/L quando analisados pelo filme de

QtNeutra/RubpyNO..................................................................................... 107

Figura 42 - Crescimento da ipa com a concentração de AA para os filmes de

QtNeutra/NPS ( ), QtNeutra/RubpyNO ( ), QtAcetato/NPS ( ) e 108

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QtAcetato/RubpyNO ( ).............................................................................

Figura 43 - Análise por VC da solução de cisteína 0,01 M (___

) e 0,1 M (___

) em

KCl 0,1 mol/L pelo (a) eletrodo de carbono vítreo e (b) filme de

QtNeutra/RubpyNO.....................................................................................

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Dados de grau de desacetilação, viscosidade intrínseca e massa molar de

quitosanas purificadas................................................................................. 28

Tabela 2 - Comprimento de ligação entre os átomos que constituem o íon

nitroprussiato.............................................................................................. 31

Tabela 3 - Principais transições do NPS...................................................................... 32

Tabela 4 - Dados de infravermelho do composto RubpyNO....................................... 33

Tabela 5 - Fatores que influenciam as medidas de TG/DTG....................................... 51

Tabela 6 - Valores relativos ao Grau de Desacetilação (GD) da quitosana................. 72

Tabela 7 - Dados da viscosidade intrínseca () e massa molar viscosimétrica (Mv)

para as amostras purificadas de quitosana comparados com dados da

literatura...................................................................................................... 74

Tabela 8 - Atribuições das bandas de infravermelho para as amostras de quitosana

purificadas (δ = deformação; ν = estiramento)........................................... 76

Tabela 9 - Propriedades das quitosanas em suas diferentes formas purificadas.......... 79

Tabela 10 - Atribuições das bandas de Uv-Vis presente nos complexos...................... 81

Tabela 11 - Dados eletroquímicos dos complexos NPS e RubpyNO............................ 85

Tabela 12 - Dados da inclinação e índices de correlação dos filmes de quitosana

neutra, acetato e cloridrato com complexos nitrosil………....................... 89

Tabela 13 - Atribuições das bandas observadas no espectro de IV dos filmes de

quitosana com os complexos nitrosil depositados sobre lâmina de

quartzo........................................................................................................ 90

Tabela 14 - Temperatura dos picos de degradação dos filmes de quitosanas

purificadas com complexo e suas respectivas perdas de massa.................. 91

Tabela 15 - Dados eletroquímicos para os filmes de quitosana com os complexos

nitrosil em KCl 0,1 mol/L........................................................................... 100

Tabela 16 - Potenciais de pico anódico da análise das diferentes concentrações de

AA pelo filme de QtAcetato/RubpyNO.......................................................... 108

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LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS

∆Ep Variação do potencial de pico

1H-RMN Ressonância Magnética Nuclear de Próton

AA Ácido ascórbico

Bpy 2,2'-bipiridina

CaCO3 Carbonato de cálcio

Cis Referente ao isômero de posição cis de um composto orgânico ou

inorgânico

DNA Ácido desoxirribonucleico

EDS Microscopia por Energia Dispersiva de Raios-X

Epa Potencial de pico anódico

Epc Potencial de pico catódico

GA Grau de acetilação

GD Grau de desacetilação

GlcN 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose

GlcNAc 2-acetamido-2-desoxi-D-glicopiranose

HOMO Orbital molecular ocupado de maior energia

ipa Corrente de pico anódica

ipc Corrente de pico catódico

IV Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho

LB Langmuir-Blodgett

LBL Layer-by-layer

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

MLCT Transferência de Carga do Metal para o Ligante

Mv Massa molar viscosimétrica

NaOH Hidróxido de sódio

NP Íon nitroprussiato

NPS Nitroprussiato de sódio

PD Polidispersão

pH Potencial hidrogeniônico

pK Cologaritmo da constante de ionização

Qt Quitosana

RubpyNO Cis-[Ru(bpy)2ImN(NO)](PF6)3); hexafluorofosfato de cis-

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bisbipiridinaimidazolnitrosilrutênio II

Uv-Vis Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível

VC Voltametria cíclica

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LISTA DE SÍMBOLOS

Viscosidade intrínseca

Orbital molecular sigma

°C Graus Celsius

A Área

ν Frequência de estiramento

δ Frequência de deformação angular

π Orbital molecular PI

π* Orbital molecular pi antiligante

Ω Unidade de medida de resistência elétrica

Imn Imidazol

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO............................................................................................. 18

2 OBJETIVOS.................................................................................................. 21

2.1 OBJETIVO GERAL........................................................................................ 21

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................... 21

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA…............................................................ 23

3.1 QUITOSANA.................................................................................................. 23

3.2 COMPLEXOS INORGÂNICOS.................................................................... 29

3.3 ÁCIDO ASCÓRBICO..................................................................................... 34

3.4 CISTEÍNA....................................................................................................... 36

3.5 FILMES AUTOMONTADOS........................................................................ 38

3.6 SENSORES ELETROQUÍMICOS................................................................. 43

3.7 TÉCNICAS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE............................................ 45

3.7.1 Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível................. 45

3.7.2 Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho......................... 48

3.7.3 Análise Termogravimétrica e Termogravimetria Derivada...................... 50

3.7.4 Voltametria Cíclica........................................................................................ 53

3.7.5 Microscopia Eletrônica de Varredura......................................................... 56

3.7.6 Análise por Energia Dispersiva de Raios-X................................................ 58

4 PARTE EXPERIMENTAL.......................................................................... 62

4.1 PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA QUITOSANA...................... 62

4.2 CONSTRUÇÃO DOS FILMES AUTOMONTADOS................................... 63

4.3 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS..................................................... 64

4.3.1 Determinação do Grau de Desacetilação (GD) das Quitosanas

Purificadas...................................................................................................... 64

4.3.2 Determinação da viscosidade intrínseca e massa molar viscosimétrica

(Mv)................................................................................................................. 64

4.3.3 Análise por Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho.... 65

4.3.4 Análise por Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e

Visível.............................................................................................................. 65

4.3.5 Análise Termogravimétrica (TG)................................................................ 65

4.3.6 Voltametria Cíclica........................................................................................ 66

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16

4.3.7 Caracterização morfológica.......................................................................... 66

4.4 APLICAÇÃO COMO BIOSENSOR.............................................................. 66

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................. 69

5.1 PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA QUITOSANA...................... 69

5.2 CARACTERIZAÇÃO DOS COMPLEXOS.................................................. 79

5.3 CARACTERIZAÇÃO DOS FILMES AUTOMONTADOS.......................... 86

5.4 UTILIZAÇÃO DO FILME COMO BIOSENSOR......................................... 106

6 CONCLUSÃO................................................................................................ 112

REFERÊNCIAS............................................................................................ 114

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Introdução

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1 INTRODUÇÃO

A manipulação de novos materiais a nível molecular é de interesse para nanociência e

nanotecnologia, uma vez que possibilita a obtenção de novos dispositivos adaptados com

propriedades otimizadas. Principalmente quando se faz uso da combinação de materiais. Como

exemplo tem-se a quitosana, polissacarídeo de origem animal, biodegradável e bastante

conhecido da literatura por possuir várias aplicações na indústria farmacêutica e química

(DAMIAN et al., 2005). A formação de novos materiais híbridos, utilizando a quitosana e

colágeno na formação de blendas e membranas tem sido descrito na literatura (TONHI E

PLEPIS, 2002), bem como na formação de nanoparticulas de quitosana com ácido metacrílico

(MOURA, AOUADA E MATTOSO, 2008). A literatura ainda relata uma vasta gama de

interações da quitosana com substâncias diversas a fim de produzir filmes para revestimento de

alimentos. Dentre eles tem-se o ácido acético (KERCH E KORKHOV, 2011; ADILA et al.,

2013), ácido salicílico (ZHANG, ZHANG E YANG, 2015), montmorilonita (GIANNAKAS et

al., 2014), compostos fenólicos e ácidos dicarboxílicos (CHENG, WANG E WENG, 2015).

Filmes polieletrólitos de quitosana com azeite de oliva e reforçados com nanocristais de celulose

também têm sido desenvolvidos (PEREDA et al., 2014).

A capacidade de formação de filmes com elevada organização a nível molecular e o

baixo custo tem colocado em evidência a técnica de layer-by-layer (LBL) (CRESPILHO et al.,

2006). Essa técnica tem por base a adsorção de um policátion com um poliânion em um

substrato, a partir de interações eletrostáticas, podendo também ocorrer outros tipos de

interações. A técnica permite a formação de novas configurações das moléculas, proporcionam

melhorias em suas características, desenvolvendo materiais com características mais atrativas.

A capacidade de formar complexos com metais também é uma característica importante

da quitosana, o que desperta interesse por parte dos pesquisadores, principalmente com relação à

obtenção de materiais nanoestruturados. Assim, devido às suas características de polieletrólito, a

quitosana é um material promissor para formação de filmes LBL (LVOV et al., 1998;

KRASEMANN E TIEKE, 1999; SERIZAWA et al., 2000; CAMILO et al., 2003;

CONSTANTINE et al., 2003; SANTOS JR. et al., 2003; THIERRY et al., 2003; KRAJEWSKA,

2004) e que pode apresentar propriedades que possibilitem a determinação de espécies

biológicas (CAMILO et al., 2003; CONSTANTINE et al., 2003; SANTOS et al., 2003;

KRAJEWSKA, 2004; ARAÚJO et al., 2012; PAVINATTO et al., 2015).

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Assim essa tese visa contribuir no desenvolvimento de novos materiais através de

estudos da formação da técnica de automontagem, utilizando a quitosana e complexos

inorgânicos.

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Objetivos

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2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

O presente trabalho tem como objetivo de preparar e caracterizar filmes automontados de

quitosanas purificadas de diferentes formas com nitroprussiato de sódio (NPS) e Cis-

[Ru(bpy)2ImN(NO)](PF6)3, expresso como RubpyNO.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Avaliar a influência do método de purificação da quitosana na formação dos filmes

automontados.

• Monitorar pela técnica de Uv-Vis o crescimento dos filmes automontados e a interação

do complexo/Quitosana.

• Caracterizar os filmes através das técnicas de Espectroscopia Vibracional na Região do

Infravermelho (IV), Análise Eletroquímica por Voltametria Cíclica (VC), Análise

Termogravimétrica (TG) e Termogravimetria Derivada (DTG), Microscopia Eletrônica

de Varredura (MEV) e Microscopia por Energia Dispersiva de Raios-X (EDS).

• Avaliar a possibilidade dos filmes atuarem como sensores eletroquímicos.

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Fundamentação teórica

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3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1 QUITOSANA

A quitina é um dos constituintes presentes em exoesqueletos de animais marinhos,

juntamente com CaCO3, proteínas, lipídeos e pigmentos (MATHUR E NARANG, 1990;

PERCOT, VITON E DOMARD, 2003; EINBU et al., 2004). É um polissacarídeo de cadeia

linear, constituída quase que exclusivamente por unidades de 2-acetamino-2-desoxi-D-

glicopiranose unidas por ligações β-(1→4) (ZHANG et al., 2000; EINBU et al., 2004). Já a

quitosana é um dos principais derivados de quitina, correspondendo a um copolímero constituído

de unidades 2-acetamido-2-desoxi-D-glicopiranose (GlcNAc) e 2-amino-2-desoxi-D-

glicopiranose (GlcN) unidas pelo mesmo tipo de ligação glicosídica presente na quitina (Figura

1).

Figura 1- Representação das unidades repetidoras da quitina e quitosana.

Fonte: (BATTISTI E CAMPANA-FILHO, 2008).

O termo quitosana é empregado para identificar as quitinas que passaram por um

processo de desacetilação (redução do grupamento acetil presente do grupamento amino)

(ROBERTS, 1992; ACOSTA et al., 1993) e que sejam solúveis em soluções aquosas diluídas de

ácidos (LI et al., 1992), tais como ácidos acético e clorídrico, enquanto que quitina corresponde a

produtos muito mais acetilados e insolúveis na maioria desses solventes. A solubilidade

apresentada pela quitosana é atribuída à presença de grupos amino na sua estrutura, os quais são

protonados em meio ácido (ACOSTA et al., 1993), resultando em cargas positivas distribuídas

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ao longo de suas cadeias e conferindo hidrossolubilidade ao polissacarídeo. Além da presença de

um número suficiente de grupos amino, a sua distribuição ao longo das cadeias também afeta a

solubilidade das quitosanas (ROBERTS, 1992).

A quitosana é obtida fazendo-se uso de soluções concentradas de hidróxido de sódio (40

a 50 %), o que costuma promover também reações de degradação do polímero. Esta reação de

hidrólise pode remover alguns ou todos os grupos acetila da quitina, disponibilizando grupos

amino que impõem a natureza catiônica da quitosana resultante, que consiste de uma mistura de

polímeros de diferentes tamanhos (YOMOTA, MIYAZAKI E OKADA, 1993; OTTOY et al.,

1996). A distribuição de massa molar, ou seja, a polidispersão é influenciada por vários

parâmetros, tais como: tempo, temperatura, concentração e condições atmosféricas empregadas

na reação de N-desacetilação. Desta forma as amostras de quitosanas podem ter características

diferentes quanto ao grau de desacetilação (GD), viscosidade e distribuição de massa molar, que

irão influenciar nas propriedades do polímero (CHEN E HWA, 1996).

As propriedades físicas e químicas da quitina e de seus derivados N-desacetilados

(quitosana) são muito diferentes. Quitosana comercial possui, geralmente, grau de desacetilação

variando de 70 a 95%, com massa molar na faixa de 104-10

6 g.mol

-1. Como muitas das

propriedades destes polissacarídeos estão intimamente relacionadas a estes dois parâmetros

(MIMA et al., 1983; ZHANG et al., 2000), torna-se imprescindível a determinação dos mesmos.

Deste modo, o conhecimento preciso do teor de grupos N-desacetilados (GD) e,

consequentemente, de grupos amino (NH2) é importante, de maneira a caracterizar qualquer

processo de desacetilação da quitina, assim como qualquer outra modificação química

(SANNAN, KURITA E IWAKURA, 1976; DAVIES E HAYES, 1988; RINAUDO E

DOMARD, 1989).

A literatura descreve vários métodos para determinação do percentual dos grupos

amínicos livres na quitosana. Hayes e Davies (1978) desenvolveram um método potenciométrico

em que o polímero é dissolvido em um excesso de ácido clorídrico (HCl) 0,3 M e diluído em um

grande volume de água destilada para permitir uma boa dispersão do precipitado formado após

ter sido efetuada a titulação com hidróxido de sódio (NaOH). A curva de titulação apresenta dois

pontos de inflexão; o primeiro é a neutralização do HCl utilizado na dissolução do polímero e o

segundo, a desprotonação dos grupos amínicos correspondente à diferença entre os volumes

relacionados com a quantidade de NaOH necessária para desprotoná-los. Domszy e Roberts

(1985) propuseram a técnica da espectroscopia de infravermelho para determinação do grau de

N-acetilação da quitosana. Métodos para detectar a remoção dos grupos acetila na quitosana

incluem cromatografia gasosa, reação colorimétrica com ninidrina e adsorção de corantes

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(MUZZARELLI E ROCCHETTI, 1986; SABNIS E BLOCK, 1997; SINGH, E RAY, 1998).

Muzzarelli e Rocchetti (1986) sugeriram que a espectrofotometria de UV a 199 nm é o melhor

método para determinar o grau de desacetilação em amostras de quitosana. Com esta técnica, a

leitura de absorbância de N-acetilglicosamina é linearmente dependente da concentração e não é

influenciada pela presença de ácido acético.

A solubilidade da quitosana está relacionada com a quantidade de grupos amino

protonados (-NH3+) na cadeia polimérica. Quanto maior a quantidade destes grupos, maior a

repulsão eletrostática entre as cadeias e também maior a solvatação em água. Para uma dada

concentração de ácido, o grau de protonação depende do pK do ácido usado para solubilizar a

quitosana (RINAUDO, PAVLOV E DESBRIÉRES, 1999). A quitosana é insolúvel em água,

em solventes orgânicos e em bases, mas é solúvel na maioria das soluções de ácidos orgânicos

com pH inferior a 6. O ácido acético e o fórmico são os mais usados para a solubilização da

quitosana. Alguns ácidos diluídos, tais como: ácido nítrico, clorídrico, perclórico e fosfórico,

também podem ser usados para preparar uma dispersão da quitosana, mas somente após

prolongada agitação e aquecimento. Misturas como dimetilformamida com tetróxido de

dinitrogênio numa proporção de 3:1 também podem ser utilizados como solventes (DAMIAN et

al., 2005).

A quitosana é susceptível a mudanças estruturais, devido à grande quantidade de grupos

reativos como as hidroxilas e principalmente os grupos amino, especialmente em reações de N-

acetilação, N-alquilação, N-carboxilação, N-sulfonação e formação de bases de Schiff com

aldeídos e cetonas (PETER, 1995).

Por possuir características como bioatividade, biodegradabilidade, biocompatibilidade,

atoxicidez, e sua extração não causar problemas ao ecossistema, a quitina e seus derivados vêm

sendo extensivamente estudados por diversos grupos de pesquisa. Sua estrutura química é muito

semelhante à da celulose (Figura 2), outro tipo de polissacarídeo conhecido e amplamente

utilizado. Diferem apenas pelo fato dos grupos hidroxilas (-OH) do carbono-2 de cada unidade

glicosídica deste serem substituídos por grupos aminoacetilados (-NHCOCH3) (SYNOWIECKI

E AL-KHATEEB, 2003; FERREIRA et al., 2009). Devido à presença de grupos amínicos, a

quitosana é considerada mais versátil quimicamente do que a celulose.

Os maiores produtores de quitina e quitosana (Estados Unidos e Japão) têm aumentado

nos últimos anos a produção desses polímeros naturais em consequência do aumento da sua

utilização nas diferentes aplicações, principalmente na indústria de alimentos, quelação de metais

e produção de membranas simétricas para separação de gases (EIDEM, 1980).

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Figura 1 - Comparação entre as estruturas químicas da quitina e celulose.

Quitina Celulose

Fonte: Próprio autor (2016).

Para a caracterização de um polímero, é necessário que este se apresente o mais puro

possível, caso contrário o estabelecimento da relação entre as características estruturais, com

suas propriedades físico-químicas será muito dificultado. Assim, a etapa de purificação de um

polissacarídeo é um processo importante e determinante nas suas propriedades (SIGNINI E

CAMPANA FILHO, 2001).

A ocorrência de agregação e a ausência de solubilidade se devem ao tipo de processo

geralmente empregado para a obtenção desses polímeros, que gera produtos não uniformes

(SCHULZ, BURCHARD E DÖNGES, 1996), mas também pode ser provocado pela natureza

associativa dos polissacarídeos (JUSTE E MAJEWICZ, 1985). Este é o caso de

carboximetilcelulose e de quitosana, obtidos por derivatização de celulose (HIRANO, 1986) e

por desacetilação de quitina (FENGEL E WEGENER, 1984), respectivamente. Assim, a

desacetilação de quitina e a carboximetilação de celulose em solução aquosa de NaOH se

processam heterogeneamente e geram produtos cujas cadeias são formadas por sequencias de

unidades modificadas quimicamente e unidades que não sofreram a modificação química

desejada (ROBERTS, 1992; LI, REVOL E MARCHESSAULT, 1997). As propriedades de

quitosana e carboximetilcelulose, incluindo solubilidade, dependem fortemente do grau médio de

carga dos polímeros e de sua distribuição ao longo das cadeias.

Ainda com relação ao estabelecimento de correlações entre estruturas e propriedades de

polissacarídeos polieletrolíticos é também muito importante que na amostra purificada apenas

um tipo de contra-íon esteja presente (RINAUDO, 1993). Dessa maneira, o comportamento em

função do ambiente (acidez, força iônica e presença de co-íons/contra-íons, temperatura) em que

o polieletrólito está dissolvido pode ser melhor estudado e compreendido. De maneira geral, os

polieletrólitos polianiônicos, isto é, aqueles portadores de sítios iônicos que desenvolvem cargas

negativas quando dissolvidos nos solventes aquosos apropriados, são purificados através de

procedimentos que envolvem as seguintes etapas sequenciais: i) dissolução em meio aquoso de

força iônica controlada; ii) filtração; iii) precipitação por adição de não-solvente e iv) lavagens e

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secagem. Polieletrólitos assim purificados são formas salinas hidrofílicas e, em geral, são

solúveis em água à temperatura ambiente. A natureza do sal empregado para controlar a força

iônica na etapa de dissolução define previamente o tipo de contra-íon que estará presente na

amostra purificada.

De fato, para assegurar que apenas um contra-íon estará presente após a purificação, um

grande excesso molar de sal é adicionado em relação à quantidade de sítios iônicos do

polieletrólito. Uma vez que componentes insolúveis e agregados forem eliminados, por filtração

ou por centrifugação, a solubilidade do polieletrólito no meio é progressivamente diminuída

através da adição de um não solvente o qual, em geral, é um álcool ou uma cetona de cadeia

curta. Em função das concentrações de polímero e de sal adicionado, a precipitação do polímero

ocorrerá quando um teor crítico de não solvente tiver sido atingido, devido a sua pobre

solubilidade nesse meio. O polieletrólito, precipitado na forma salina, é então exaustivamente

lavado para eliminar o excesso de sal e submetido a secagem. Dessa maneira, polieletrólitos

polianiônicos portadores de grupos carboxílicos, tais como carboximetilcelulose, são purificados

como sais de sódio hidrossolúveis. Alternativamente, a solução aquosa do polieletrólito pode ser

submetida à diálise contra solução contendo um grande excesso do contra-íon desejado e o

polímero na forma salina é isolado por liofilização.

Signini e Campana Filho (2001) relatam três formas distintas de purificação da

quitosana: neutra, acetato e cloridrato. Em seu estudo eles caracterizaram e compararam quanto a

solubilidade, hidrofilicidade, morfologia de suas superfícies e cristalinidade. A amostra

purificada na forma neutra apresenta características e propriedades diferentes das formas salinas,

principalmente a purificada na forma de cloridratos. As morfologias das superfícies das formas

purificadas são semelhantes, mas cloridrato de quitosana obtido por liofilização apresentaram

poros que não foram observados nas outras amostras. Além disso, a quitosana purificada na

forma neutra não apresentou solubilidade em água, mas o acetato de quitosana é parcialmente

solúvel. Essas duas formas de quitosana apresentam hidrofilicidades e cristalinidades

semelhantes, mas no caso do cloridrato a presença de cargas e de contra-íons provenientes de um

ácido forte, utilizado no processo de purificação, aumenta a hidrofilicidade, conferindo

hidrossolubilidade e alterando significativamente as interações inter e intracadeias, modificando

o empacotamento no estado sólido e resultando em importante decréscimo de cristalinidade. No

caso de acetato de quitosana foi observado que os cristalitos são menores, o que pode ser

atribuído à protonação parcial dos grupos amino e à presença de ânions acetato. A Tabela 1

mostra os valores de algumas características da quitosana purificada de formas distintas. Os

dados mostram que, quanto aos graus de desacetilação, viscosidades intrínsecas e massas

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molares viscosimétricas, independente do procedimento utilizado para purificação da amostra

comercial, as quitosanas purificadas são muito semelhantes, o que sustena a afirmação que os

métodos utilizados por Signini e Campana Filho (2001) são adequados à purificação da

quitosana.

Tabela 1 - Dados de grau de desacetilação, viscosidade intrínseca e massa molar da quitosanas

purificadas.

Tipo de purificação GD (%) (mL/g) Mv x 104 (g/mol)

Neutra 83,5 689 16,7

Acetato 89,4 725 17,2

Cloridrato n.d. 613 14,3

Fonte: Signini e Campanha Filho (2001).

A metodologia de purificação também afeta a estabilidade térmica, esta é geralmente

caracterizada pela temperatura na qual a decomposição do polímero se torna perceptível pela

formação de produtos. Um dos fatores determinantes da estabilidade térmica do polímero é a

energia das ligações da cadeia principal (LIM E WAN, 1995). A ligação C-C é uma das mais

resistentes à degradação térmica. A presença de átomos de hidrogênio na molécula do polímero

diminui a energia entre a ligação C-C, motivo pelo qual os hidrocarbonetos com elevada massa

molecular e seus derivados possuem comparativamente baixa estabilidade sendo facilmente

degradados com o aquecimento a temperaturas mais elevadas. Quitina e quitosana, quando

aquecidas a temperaturas mais elevadas sofrem degradação. A estabilidade térmica da quitina

aumenta com o grau de acetilação. Quando a forma acetilada prevalece, observa-se um pico

exotérmico em 320 °C, enquanto que, na forma desacetilada o evento ocorre a 280 °C

(PENICHE-COVAS E JIMÉNEZ, 1998).

Assim, essas características podem influenciar nas aplicações da quitosana, como

exemplo, o processo de geração de pró-fármacos que utilizam este polímero como um agente

transportador bastante eficiente, cuja liberação da droga ocorre no local-alvo permitindo

diminuir ou resolver inconvenientes que determinados fármacos apresentam, tais como os efeitos

adversos (SONG, ONISHI E NAGAI, 1993). O desenvolvimento de microesferas de quitosana,

para atuação como transportador de fármacos, gera importantes propriedades como

hidrofilicidade (melhora na dissolução de drogas fracamente solúveis), lipofilicidade (apresentou

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efeito significativo sobre o metabolismo de gorduras no corpo) e estabilidade térmica aos

compostos terapêuticos (SINHA et al., 2004).

Os polímeros naturais são uma classe de suportes amplamente empregados na

imobilização de enzimas com vantagem por apresentarem baixo custo e fácil degradabilidade,

não causando danos ao meio ambiente. A aplicação de quitosana como suporte para a

imobilização de enzimas se deve às suas diferentes configurações geométricas como pó,

escamas, hidrogéis, membranas, fibras e outras, além da presença de diferentes grupos

funcionais, como hidroxila e amino, que permitem a utilização de diferentes métodos de

imobilização (MENDES et al., 2011). Diferentes corantes têm sido relatados por serem

eficazmente removidos por meio de modificações da quitosana. Isso ocorre principalmente

devido às suas propriedades como cationicidade, alta capacidade de adsorção, estrutura

macromolecular, abundância e preço baixo (VAKILI et al., 2014).

Outra aplicação da quitosana, apresentada por Airoldi (2008) está relacionada à

remoção de cátions metálicos, que acontece através dos efeitos interativos com os grupos amino

livres do polissacarídeo, que podem promover a coordenação com o metal. Este autor também

relatou a capacidade de uso da quitosana associada a polímeros inorgânicos como hidroxiapatita

para utilização como reparador de ossos, com sílica em polieletrólitos, e na confecção de

sensores eletroquímicos quando intercalado com montmorilonita ou associados à sepiolita na

formação de membranas híbridas. Também já são bem conhecidas as aplicações de filmes e

membranas de quitosana utilizadas no recobrimento de alimentos a fim de estender a vida útil de

frutas, legumes e sementes (ASSIS E ALVES, 2002; TANADA-PALMU et al., 2005; MACIEL

et al., 2012, VAN DEN BROEK et al., 2015), principalmente devido às propriedades

antimicrobianas da quitosana. Esta é explicada pela protonação dos grupos amínicos livres,

quando este polímero entra em contato com fluidos biológicos, resultando na aglutinação de

células microbianas e inibição do seu crescimento.

3.2 COMPLEXOS INORGÂNICOS

Embora a maior parte dos compostos no organismo humano tenha o carbono como

principal elemento, íons metálicos também estão presentes e desempenham funções necessárias

ao funcionamento do organismo e manutenção da vida. Alguns metais, como o sódio e potássio,

são encontrados como íons monoatômicos simples nos fluidos do organismo. Porém, íons

metálicos associam-se a ligantes e executam suas funções fazendo parte de complexos metálicos,

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como no caso do ferro que se liga a porfirina no sangue para atuar no transporte de oxigênio pelo

organismo.

Compostos de coordenação têm sido usados ao longo dos anos para o tratamento de

várias doenças (GIRALDI e CAMPOLIM, 2014), um deles é o nitroprussiato de sódio (NPS),

com fórmula molecular Na2[Fe(CN)5(NO)], Figura 3. Ele é utilizado há mais de 50 anos como

vasodilatador em casos de emergência em ataques de hipertensão, controle de pressão sanguínea

em cirurgias e no tratamento da hipertensão crônica, pois este proporciona uma rápida resposta

sem necessidade de sua utilização em excesso (CÉSAR et al., 2001; STOCCHE et al., 2003;

SASS et al., 2007; VALENTI et al., 2009; FREITAS JR. et al., 2012). Há relatos da utilização do

NPS na determinação de compostos sulfurados em águas doces e salinas após a permeação do

sulfeto em uma membrana de silicone (SONNE E DASGUPTA, 1991), assim como, na

determinação de fenóis em sistemas aquosos bifásicos (RODRIGUES, SILVA E SILVA, 2010),

e, ainda na detecção de cefradina em comprimidos (ZHANG et al., 2008), porém, todos esses

através de determinação espectrofotométrica, pela utilização do NPS como agente cromogênico.

Chen e colaboradores (2015) relataram que a interação direta do polissacarídeo goma xantana

com NPS mostrou-se capaz de proteger células cartilaginosas da morte celular induzida pelo

complexo.

Figura 3 - Estrutura do íon [Fe(CN)5(NO)]2-

.

Fonte: Próprio autor (2016).

A preocupação com a administração do nitroprussiato é que ele também pode liberar

íons cianeto, que são convertidos em tiocianato in vivo também pela enzima rodanase. Por esta

razão, a duração do tratamento não deve ser superior a 72 horas, e a dosagem não pode exceder

os 10 mg/kg/min e a sua concentração em fluidos biológicos devem ser monitorado. A meia-vida

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do nitroprussiato é de cerca de 10 min e 90 % da dosagem é encontrada no plasma humano a

níveis de concentração de 0,1 a 1 mg/mL (PEREIRA E ZANONI, 2007).

O NPS tem suas propriedades químicas e físicas baseadas na existência de orbitais d

semi-preenchidos do átomo de ferro. Quando sólido apresenta-se na forma de cristal

ortorrômbico, com simetria C4v e seus dados relacionados aos comprimentos de ligação estão

apresentados na Tabela 2. O comprimento da ligação Fe-NO é uma característica distinta de

complexos de ligação contendo ligantes NO, pois a distância metal – ligante é menor que nos

demais complexos, indicando que o grupo NO está fortemente ligado ao metal. Tal característica

sugere um caráter de ligação tripla, composta por uma ligação σ utilizando um orbital d vazio do

metal e o par de elétrons não compartilhados do nitrogênio e de duas ligações π formadas entre o

orbital π* do NO e o orbital d preenchido do ferro, ou então, devido a uma forte retrodoação

entre os orbitais do metal e do ligante. O átomo de ferro é ligeiramente deslocado em direção ao

grupo NO com relação ao plano estabelecido pelos quatro átomos de carbono. As ligações C-N e

Fe-C são todas equivalentes entre si. Além disso, o ângulo Fe-N-O é de 178° e o ângulo N-Fe-

Cequatorial é de 96° (SWINEHART, 1967).

Tabela 2 - Comprimentos de ligação entre os átomos que constituem o íon nitroprussiato.

Ligação Comprimento (em angstrons)

Fe-NO 1,67 ± 0,02

N-O 1,13 ± 0,02

CN 1,16 ± 0,02

Fe-C 1,93 ± 0,02

Fonte: (SWINEHART, 1967).

Os orbitais de maior energia ocupados (HOMO) do NPS no estado fundamental são

representados pelos níveis (dxz,yz)4(dxy)

2 e o orbital desocupado de menor energia é o orbital π*

do NO. As principais transições eletrônicas observadas nesse composto estão relacionadas na

Tabela 3.

A literatura traz vários estudos com relação às propriedades químicas e eletroquímicas

do íon nitroprussiato (NP), [Fe(CN)5NO]2-

(CARAPUÇA et al., 2000). O caráter eletrofílico e a

redutibilidade deste íon estão atribuídas ao ligante NO+. Estes estudos são interessantes não só

do ponto de vista das propriedades físico-químicas do grupo nitrosilo coordenado

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(MCCLEVERTY, 1979; ESTRIN et al., 1996), mas também da compreensão do papel biológico

do NP como uma fonte in vivo de óxido nítrico (BUTLER E WILLIAMS, 1993).

Tabela 3 - Principais transições do NPS.

Transição Comprimento de onda Tipo de transição

dxy → π*NO 480 nm MLCT

dxz, dyz → π*NO 394 nm MLCT

dxy → dx2

-y2 330 nm d–d

dxz, dyz → dz2 264 nm d–d

dxz, dyz → dx2

-y2 238 nm d–d

dxy → π*CN 200 nm MLCT

Fonte: (SWINEHART, 1967).

Em solução aquosa a redução eletroquímica do NP é um processo que envolve a

redução de quatro elétrons. O processo de redução é dependente das condições do meio, como o

pH da solução e em geral ocorre em 3 processos (CARAPUÇA et al., 2000). O primeiro refere-

se ao processo (1) de redução de um elétron em que o ligante NO+ é reduzido para NO, obtendo-

se o íon [Fe(CN)5NO]3-

. Este íon em meio ácido sofre um processo de redução (2) gerando a

espécie [Fe(CN)4NO]2-

, liberando o ligante cianeto da posição axial (BAKHTIAR, E OCHIAI,

1999).

Processo I:

[Fe(CN)5NO]2-

+ e- [Fe(CN)5NO]

3- (1)

[Fe(CN)5NO]3-

[Fe(CN)4NO]2-

+ CN- (2)

Processo II:

[Fe(CN)4NO]2-

+ e- [Fe(CN)4NO]

3- (3)

Outra espécie doadora de NO é o composto Cis-[Ru(bpy)2ImN(NO)](PF6)3 –

hexafluorofosfato de cis-bisbipiridinaimidazolnitrosilrutênio II, (RubpyNO), um nitrosil

complexo de rutênio que apresenta boa ação inibitória de agentes transmissores da doença de

chagas. Esse complexo foi amplamente estudado e caracterizado por Silva e colaboradores

(2006) e a estrutura química do íon é apresentada na Figura 4.

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33

Figura 4 - Estrutura química do íon complexo RubpyNO.

Fonte: Próprio autor (2016).

Este complexo nitrosilado apresenta uma intensa banda em torno de 296 nm, atribuída a

uma transição interna do ligante bipiridina do tipo π → π*(bpy) que geralmente aparece nesta

região para complexos do tipo bis-(2,2-bipiridina)rutênio(II), e outra banda em torno de 325 nm,

atribuída a uma transição de transferência de carga metal-ligante (MLTC) do tipo dπRuII →

π*(bpy). A forte interação da back-bonding do ligante NO+ provoca um maior desdobramento

dos orbitais dπ do rutênio resultando em um deslocamento das absorções, referente às transições

de transferência de carga metal-ligante do tipo dπRuII → π*(bpy), para região de maior energia

(em torno de 325 nm), em relação aos nitrito complexos (SILVA et al., 2006).

A Tabela 4 apresenta as bandas observadas no espectro vibracional do RubpyNO e suas

atribuições. A principal característica desse espectro é o aparecimento de um pico em 1944 cm-1

referente ao estiramento N-O do ligante NO coordenado ao centro metálico de forma linear.

Além de apresentar bandas características dos modos vibracionais da bipiridina.

Tabela 4 - Dados de infravermelho do composto RubpyNO.

Número de onda (cm-1

) Atribuição

3142, 3098 ν(C-H)

1452 ν(C=N)

1443 ν(C=C)

1944 ν(NO+)

765 δ(C-H)

840, 559 ν(P-F6-)

Fonte: (SILVA et al., 2006).

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34

Uma observação importante a respeito desse complexo é que a sua utilização, assim

como o NPS, deve ocorrer na ausência ou exposição mínima à luz, a fim de evitar sua

decomposição fotoquímica que ocorre com rápida liberação do NO. Além disso, quando em

solução, é conveniente usar pH ácido pois, em pH mais alto esse nitrosilo-complexo se converte

em nitrito-complexo provocando consideráveis mudanças no espectro eletrônico.

3.3 ÁCIDO ASCÓRBICO

Ácido ascórbico (AA) é o nome comum dado ao ácido 3-oxo-L-gulofuranolactona (5R)-

5-[(1S)-1,2-diidroxietil]-3,4-diidroxifurano-2(5H)-ona, um sólido branco ou amarelado,

cristalino com ponto de fusão de 190 a 192 °C, massa molecular 176,13 g/mol, densidade 1,65

g/cm³, bastante solúvel em água e etanol absoluto, insolúvel nos solventes orgânicos comuns,

como clorofórmio, benzeno e éter. Ocorre naturalmente em alimentos sob duas formas: a forma

reduzida (geralmente designada como ácido ascórbico) e a forma oxidada (ácido

desidroascórbico) (Figuras 5a e 5b, respectivamente). Ambos são fisiologicamente ativos e são

encontrados nos tecidos orgânicos. Uma nova oxidação do ácido desidroascórbico para o ácido

dicetogulônico produz uma inativação irreversível da vitamina (ANDERSON et al., 1988).

Figura 5 - Estrutura química do ácido ascórbico (a) e do ácido desidroascórbico (b).

(a) (b)

Fonte: Próprio autor (2016)

Também conhecida como vitamina C, o AA é também um poderoso antioxidante pela

facilidade de oxidação devido a presença do grupo fortemente redutor em sua estrutura,

denominado de redutona, a qual se refere também as hidroxilas do grupo C=C (BOBBIO E

BOBBIO, 1992). As moléculas dessa vitamina sofrem oxidação antes que outras moléculas do

organismo se oxidem, impedindo e protegendo essas outras moléculas da oxidação além de ter a

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capacidade de prevenir a doença escorbuto, causada pela deficiência dessa vitamina no

organismo.

Independente da forma que ocorra (hidrolíticas, oxidação enzimática, fotoxidação ou

autoxidação), a oxidação do AA basicamente envolve a adição de um átomo de oxigênio ou a

remoção de um átomo de hidrogênio das moléculas que constituem os alimentos, formando

ânions que apresentam atividade metabólica.

A vitamina C é transportada no plasma sob a forma de um ânion livre, sendo transferida

por difusão simples no interior dos leucócitos e dos eritrócitos. No ser humano adulto sadio, a

reserva de ácido ascórbico é de aproximadamente 1500 mg com uma ingestão média diária de 45

a 75 mg. Ingestões maiores que 220 mg/dia elevam a reserva orgânica total para um nível

compreendido entre 2.300 e 2.800 mg (GUILLAND E LEQUEU, 1995).

Distribuindo-se amplamente em todos os tecidos do organismo, as mais altas

concentrações de AA encontram-se no córtex supra-renal e na hipófise e em menor teor nos

músculos e tecido adiposo. Porém, quando administrado em altas doses, após atingir

concentração máxima nos tecidos, sofre eliminação do excesso pelos rins (ARANHA et al.,

2000).

A vitamina C é essencial para seres humanos, uma vez que age como antioxidante,

eliminador de radicais livres e nutre as células, protegendo-as de danos causados pelos oxidantes,

da mesma forma que o α-tocoferol e o β-caroteno (PADH, 1991). Em humanos, vários fatores

podem regular a biodisponibilidade do ácido ascórbico para os tecidos. Dentre eles pode-se citar

o consumo dietético, sua ligação a uma proteína no soro ou no plasma, e a forma em que este se

encontra (DHARIWAL et al., 1991).

As concentrações plasmáticas também variam com a ingestão. Uma ingestão adequada

está associada a concentrações superiores a 0,5 mg/dL (28 mmol/L), enquanto concentrações de

0,15 mg/dL (8,5 mmol/L) são observadas em indivíduos com escorbuto franco. Quando a dieta

não contém essencialmente nenhum ascorbato, as concentrações plasmáticas diminuem.

Contudo, uma ingestão equilibrada de AA atua na prevenção e tratamento de diversas patologias

tais como o apoio ao sistema imunológico pelo aumento da concentração de glóbulos brancos e

imunoglobulinas no sangue; regulação da síntese do colesterol; manutenção de ferro no estado

ferroso, mantendo assim a atividade completa das enzimas hidroxilases (DU, CULLEN E

BUETTNER, 2012) e proteção do organismo contra o desenvolvimento de câncer

(PATTERSON et al., 1997; LORIA et al., 2000; LONGCHAR E PRASAD, 2015; MIURA,

YAZAMA E TAI, 2015).

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36

Geralmente as concentrações de AA no organismo são determinadas por métodos

enzimáticos (MARCHESINI et al., 1974), métodos cromatográficos com detecção fluorimétrica

(TSAO E YOUNG, 1985) e métodos eletroanalíticos. Estes se tornaram mais eficientes a partir

do desenvolvimento de eletrodos modificados uma vez que promovem uma detecção mais

seletiva, de maior sensibilidade e escala de concentração (KUMAR, LO E CHEN, 2008, LIN et

al., 2008 E MANJUNATHA et al., 2010).

Jirimali e colaboradores (2013) desenvolveram um eletrodo de carbono modificado com

quitosana e hidroquinona para a determinação eletroquímica de AA. Sha e colaboradores (2006)

construíram filmes multicamadas de nanotubo de carbono e polímero redox sob um eletrodo de

carbono usando a técnica da automontagem e obteve boa atividade eletrocatalítica para a

oxidação da vitamina. Deng, Xu e Li (2013) conseguiram realizar a determinação simultânea de

AA e rutina com um eletrodo de pasta negra de acetileno modificada com filme compósito de

nanotubos de carbono de paredes múltiplas com quitosana. O material exibiu bom desempenho

na determinação simultânea das substâncias, tais como rápida resposta voltamétrica, vasta gama

de concentração, baixo limite de detecção, excelente reprodutibilidade e boa estabilidade.

3.4 CISTEÍNA

O ácido (R)-2-amino-3-sulfanil-propanóico ou cisteína é um aminoácido, cujo nome

tem origem na palavra grega kustis (bexiga), pois foi isolada inicialmente a partir de cálculos

renais (sob a forma de cistina). Encontra-se presente em proteínas e enzimas naturais e

desempenham um importante papel em sistemas biológicos. Sabe-se que é ativo na função

catalítica de enzimas, outros peptídeos e proteínas sendo importante para o seu metabolismo e

atua como indicador de câncer, agente radioprotetor, antitoxina, antioxidante e eliminador de

radicais livres (SILVA et al., 2012).

Sintetizado in vivo, em condições fisiológicas normais, a cisteína apresenta o grupo

funcional tiol (R-SH) em sua cadeia, desempenhando um papel central na química dos tióis

biológicos. Tipicamente, as concentrações intracelulares da cisteína estão na ordem de 30 – 200

mmol.L-1

. Níveis anormais deste aminoácido estão relacionados com o desenvolvimento de

condições patológicas tais como doença de Parkinson e Alzheimer, leucemia, diabetes, doenças

do fígado e etc. Contudo, o mesmo também pode ser utilizado como suplemento alimentar

atuando como desintoxicante do álcool e poluentes ambientais (metais tóxicos), e auxiliando na

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formação da queratina, pele e unhas (BRITO e VOLP, 2010; SILVA et al., 2012, CORRÊA et

al., 2013).

Figura 6 - Estrutura química da cisteína.

Fonte: Próprio autor (2016).

O átomo de enxofre da cisteína proporciona uma gama considerável de reatividade

química e flexibilidade estrutural do aminoácido. Seus seis elétrons de valência estão

distribuídos entre quatro orbitais do tipo sp3, sendo dois pares livres e duas ligações sigma com C

e H, respectivamente. Essa configuração permite que o átomo de enxofre estabeleça ligações

coordenadas covalentes com os principais átomos dos organismos vivos (C, H, O, N, P), que

forme complexos de coordenação estáveis com íons de metais de transição (Zn, Fe, Cu), e seja

estável à vários estados de oxidação (-SH, -SS-, -SO2-, -SO3

-). Em pH fisiológico, podem se

apresentar na forma de tiol (mais comum) ou como tiolato (mais reativo) (BUTTLE e MORT,

2004; GO, CHANDLER e JONES, 2015).

Esse aminoácido é submetido a uma série de modificações enzimáticas e não

enzimáticas, muitas vezes mediadas pela dependência do pH como a ionização para a forma de

tiolato (R-S-). A coordenação de R-S- com complexos de íon de metais é comum e é

amplamente utilizada para regular a estrutura da proteína, manutenção da homeostase de íon

metálico, ou sequestrar um agente metálico tóxico. R-S é sujeito à oxidação ([O]) para a forma

sulfenato (R-SO-) por H2O2 e outros oxidantes de dois elétrons. R-SO- pode reagir com óxido

nítrico através de vários meios de transferência de íon nitrônio (NO+) produzindo o composto

nitrosotiol (R-SNO) correspondente. O Cisteinil enxofre passa por uma variedade de outras

modificações covalentes reversíveis e irreversíveis, incluindo reações de formação de dissulfeto,

persulfurização, alquilação, arilação, e reações enzimáticas e que pode ter efeitos na regulação

redox, função e sinalização da cisteína (SOLOMONS e FRYHLE, 2009; BUTTLE e MORT,

2004; GO, CHANDLER e JONES, 2015).

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Grossi e D’Angelo (2005) estudaram o processo de redução do NPS a [Fe(CN)5(NO)]3-

por tióis tais como a cisteína e a glutaniona. Segundo esses autores, a intermediação das espécies

radicais confirma que a liberação de NO se dá através de um mecanismo de transferência de

elétrons e não através de uma clivagem direta da ligação ferro-nitrosil. A formação de

nitrosotióis, que são considerados o armazenamento e os transportadores de NO in vivo, permitiu

a hipótese de que a ação de NPS em situações de emergência ocorre devido à liberação

espontânea de NO, uma vez que esta etapa acontece de forma rápida.

Devido à sua importância, a pesquisa em métodos de determinação da cisteína tem sido

alvo de muitos estudos recentes. Corrêa et al. (2013) expõe alguns desses métodos e suas

características. Os métodos espectroscópicos geralmente necessitam da derivação da cisteína

para introduzir uma porção cromogênica ou fluorogênica. A detecção através da cromatografia

líquida de alta eficiência (CLAE) atinge o limite de detecção da ordem de fentomol, porém, pode

levar mais de 10 minutos para sua execução e também necessitam de derivação para a detecção

da fluorescência. Por outro lado, métodos eletroquímicos têm a vantagem de resposta rápida,

baixo custo relativo, simplicidade da instrumentação e alta sensibilidade, que os tornam mais

adequados para usos práticos. Assim, algumas técnicas eletroquímicas tais como amperometria,

biamperometria e voltametria, já foram utilizadas na determinação da cisteína. A dificuldade

encontrada nesse tipo de análise, e que deve ser contornada, é o alto sobrepotencial exigido por

alguns dos eletrodos convencionais (platina e carbono vítreo, por exemplo). A oxidação

eletroquímica a potenciais altamente positivos provoca a formação de óxidos na superfície do

eletrodo, reduzindo significativamente a seletividade da detecção.

3.5 FILMES AUTOMONTADOS

A necessidade de se obter novos materiais com elevada organização molecular

impulsionou à pesquisa por diversas técnicas de formação destas ferramentas de análise. Isto

ocorreu, principalmente, a partir da década de 60 quando da descoberta das propriedades ópticas,

elétricas e magnéticas de compostos orgânicos, permitindo a utilização dessas substâncias em

dispositivos eletrônicos e ópticos como sensores e eletrodos. Dentre estas técnicas de alta

organização molecular, destacou-se o estudo da formação de filmes ultrafinos, principalmente,

devido à possibilidade de ser realizado o controle da espessura desses filmes (PATERNO,

MATTOSO E OLIVEIRA JR., 2001; TRIVINHO-STRIXINO, PEREIRA E LOPES, 2004).

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Pioneiros no estudo de formação de filmes finos, os pesquisadores Langmuir e Blodgett

desenvolveram, no início do século XX, de forma independente, o que levou ao nome da técnica

de Langmuir-Blodgett (LB). Nesta, os filmes são produzidos a partir do espalhamento de uma

pequena quantidade de material sob um líquido em uma cuba conhecida por cuba de Langmuir.

Os materiais, geralmente, utilizados para a fabricação desses filmes são moléculas anfifílicas

constituídas de uma parte hidrofílica (polar) e outra hidrofóbica (apolar), que são diluídas em um

solvente volátil e espalhadas em uma fase aquosa e, em seguida, transferidas a um substrato

sólido (PATERNO, MATTOSO E OLIVEIRA JR., 2001).

A partir da década de 80, Sagiv e colaboradores desenvolveram uma nova técnica de

formação de filmes ultrafinos como alternativa à metodologia LB (PATERNO, MATTOSO E

OLIVEIRA JR., 2001). Essa consistia na imersão de um substrato sólido, quimicamente

modificado, em uma solução contendo moléculas bifuncionais, como fosfonatos metálicos e

organossilanos. A formação de uma ligação química covalente com o substrato permitia que

essas moléculas bifuncionais permanecessem fortemente adsorvidas e que funcionassem como

suporte para a deposição de uma nova monocamada já que havia a existência de cargas livres na

superfície do filme formando filmes com moléculas adsorvidas muito próximas umas das outras

permitindo, assim, o surgimento de outras forças de interação como as forças de van de Walls,

ligações de hidrogênio, forças dispersivas ou de London, cujas intensidades tornam as

monocamadas compactas e fortemente adsorvidas.

Assim, de acordo com a literatura (CRESPILHO et al., 2006), podem existir quatro

tipos de forças envolvidas na produção de filmes automontados, que irão se diferenciar quanto ao

processo de adsorção das camadas:

1) A adsorção por interações iônicas em polieletrólitos altamente carregados;

2) Com interações iônicas em polieletrólitos parcialmente carregados;

3) Através de ligações secundárias como pontes de hidrogênio ou interações

hidrofóbicas, ou em conjunto com interações eletrostáticas;

4) Através de interações específicas.

A adsorção por interações iônicas tem como base as interações eletrostáticas entre

moléculas contendo grupos iônicos, como compostos anfifílicos e polieletrólitos (PATERNO,

MATTOSO E OLIVEIRA JR., 2001), a maioria destes filmes segue os trabalhos propostos por

Decher e colaboradores. O elevado grau de repulsão entre as cargas leva a formação de

multicamadas extremamente finas e bastante homogêneas. As multicamadas são formadas

devido a forte compensação de cargas quando uma camada de polieletrólito é depositada sobre

outra de sinal contrário, sendo confirmada por medidas de potencial zeta em filmes produzidos

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com polo(vinil imidazol) e poli(ácido acrílico) (HOOGEVEN et al., 1996). Losche e

colaboradores (1998) realizaram estudo de reflexão de nêutrons em filmes automontados de

poliestireno sulfonado e polialilamina hidroclorada, neste estudo eles observaram que os filmes

obtidos possuem uma estrutura estratificada em que cada camada individual dos polímeros

carregados (cátions e os ânions) estão diretamente interligadas. Mesmo os filmes sendo obtidos

em superfícies atomicamente plana, foi observado uma rugosidade em cada camada depositada,

o que segundo o autor, parece levar a um aumento no número de locais propício a adsorção,

provocando um pequeno aumento na espessura da camada. Porém este aumento satura após certo

número de bicamadas devido interpenetração das camadas adjacentes.

Quando a formação de filmes ocorre com polieletrólitos fracos, a espessura destas

camadas depositadas sofre variação quando comparada àquelas obtidas com eletrólitos fortes. O

pH das soluções que contem o polieletrólito também afeta a espessura destes filmes. Zucolotto e

colaboradores (2004) mostraram que a espessura média de cada bicamada para filmes formados

com polialilamina hidroclorada variou de 1 nm a 24 nm ao alterar o pH (0-10) das soluções.

Além das interações eletrostáticas, o processo de adsorção pode ocorrer através de

ligações de hidrogênio, interações de Van der Waals ou hidrofóbicas, e ainda por um conjunto de

interações. Os primeiros autores a relatarem a formação de filmes automontados por ligações de

hidrogênio foram Stockton e Rubner (1997) para filmes automontados de polianilina com outros

polímeros não iônicos como polivinil pirrolidona, álcool polivinílico, poliacrilamida e polióxido

de etileno. Segundo os autores a adsorção da polianilina com esses polímeros para a obtenção

dos filmes automontados somente é possível através das ligações de hidrogênio entre os grupos

amina e imina da polianilina.

Em 1987, MacDiarmid e colaboradores mostraram que polímeros condutores como a

polianilina e seus derivados encontram-se no estado carregado (dopados) quando em soluções de

baixo pH. Verificando-se que estes polímeros podem ser automontados a partir de soluções em

pHs elevados, ou seja, como se fossem polímeros neutros, chegaram à conclusão de que, neste

caso, o processo de automontagem é governado por interações não iônicas, como ligações de

hidrogênio. As ligações de hidrogênio também explicaram a formação de filmes multicamadas

de quitosana com lignosulfato desenvolvidas por Luo et al. (2012). Esta e outras publicações

ajudaram a consolidar a automontagem como uma técnica eficiente na interação da quitosana

com outros compostos.

Independente do tipo de interação, a formação dos filmes automontados consiste em

submergir o substrato em um béquer contendo a solução do policátion ou do poliânion por um

determinado período de tempo que, geralmente, não passa de alguns minutos. Como o substrato

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foi quimicamente modificado e apresenta uma determinada carga em sua superfície, os poli-íons

adsorvem-se na superfície do substrato por interação eletrostática. Os substrato é lavado em uma

solução com pH próximo ao da solução para haver a remoção de moléculas que não foram

adsorvidas de maneira adequada e, posteriormente são secas em jatos de ar ou de N2. Por estar

devidamente carregado eletrostaticamente, o sistema substrato mais filme permitirá a adsorção

de uma nova camada carregada com carga oposta através de imersão em outra solução. Após a

adsorção desta segunda camada, o substrato é novamente lavado e seco. Filmes multicamadas

podem ser produzidos pela simples repetição deste procedimento, não havendo limite de

quantidade de bicamadas a serem adsorvidas pelo sistema. A Figura 7 ilustra a formação das

bicamadas realizada através dessa técnica.

Figura 7 - a) Representação das multicamadas de filmes automontados em um substrato sólido.

b) Detalhe da interação eletrostática entre o policátion e poliânion.

Fonte: (SANTOS et al., 2010).

Esta técnica, por promover a montagem de um filme pela deposição de camadas de

substâncias umas sobre as outras ficou conhecida como técnica Layer-by-layer (LBL) – que

significa camada-por-camada, ou técnica de automontagem ou de filmes automontados,

denominação esta oriunda do termo inglês self-assembly, e tem seu uso vastamente reportado na

literatura com finalidades diversas, sejam essas apenas para a caracterização de um novo filme

formado ou para a utilização destes para análises de soluções aquosas, interação com moléculas

diversas, dentre elas, o DNA e proteínas, proteção à corrosão, entre outras aplicações que estes

materiais podem assumir (BORATO et al., 1997; MACHADO, MANGRICH E LEHN, 2003;

QUAINO et al., 2005; URBANO et al., 2008; OLIVEIRA et al., 2009; CABRITA, VIANA E

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ABRANTE, 2010; CASTAÑEDA-URIBE et al., 2010; POSADA et al., 2011; SUN et al., 2011;

IOST E CRESPILHO, 2012).

Em comparação à técnica LB, a automontagem se configura em um mecanismo que não

requer equipamentos ou procedimentos sofisticados devido à sua simplicidade operacional, o que

gera um baixo custo para produção dos mesmos. Outra vantagem é possibilidade de utilizar a

água como solvente, muito embora este seja determinado pelo tipo de polímero que venha a ser

utilizado. Contudo, limitações relacionadas a esta metodologia são associadas ao menor grau de

organização das cadeias poliméricas formadas, à dificuldade de obtenção de monocamadas mais

espessas e os obstáculos relacionados à reprodutibilidade dos filmes produzidos, já que estes são

elaborados de maneira manual, ou seja, por intermédio de um operador. Um controle mais rígido

no tempo de imersão do substrato nas soluções de poli-íons e na realização dos demais

procedimentos permite uma reprodutibilidade razoável dos filmes, fazendo com que estes

apresentem características bem semelhantes de espessura e, consequentemente, das suas demais

propriedades.

Segundo Paterno, Mattoso e Oliveira Jr. (2001), o acompanhamento da formação dos

filmes através da técnica de espectroscopia de Uv-Vis, além de monitorar o seu crescimento,

também permite controlar a espessura dos filmes uma vez que a maioria dos materiais utilizados

para compor estas películas absorve luz na região de comprimento de onda do ultravioleta e

visível. Usualmente observa-se que a absorbância do filmes aumenta a cada bicamada depositada

no substrato. Esta constatação é importante, pois permite o controle da espessura do filme uma

vez que a absorbância é diretamente proporcional à quantidade de material absorvente, sendo

que, neste método, cada camada contribui aproximadamente com a mesma quantidade de

material. Alterações de parâmetros experimentais como força iônica, concentração do material

adsorvente, tempo de imersão, temperatura e pH das soluções empregadas, também, contribuem

para a construção de um filme de espessura mais uniforme (DECHER E HONG, 1991).

Filmes de quitosana já são bem descritos na literatura para aplicação de diversas formas.

Em 2009, Manna, Bharani e Patil, descreveram com sucesso a formação de filmes automontados

pela interação de quitosana com o ácido hialurônico em uma matriz de DNA formando um filme

multicamada estável sem a necessidade de utilização de agentes de reticulação. Recentemente,

Cheng, Wang e Weng (2015) desenvolveram filmes comestíveis e para revestimento de

alimentos a partir de quitosana e zeína (proteína extraída do milho) suplementados com ácido

ferúlico, ácido gálico ou ácidos dicarboxílicos que se mostraram eficientes para atuarem como

uma barreira de vapor de água e apresentaram boas propriedades mecânicas, atividade

antioxidante, e atividade antimicrobiana demonstrada pelos ensaios utilizando como micro-

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organismos Staphylococcus aureus e Escherichia coli. Filmes automontados de quitosana e

heparina foram desenvolvidos por Bhalerao e colaboradores (2015) com bom desempenho na

liberação de droga antimalárica. Eiras e colaboradores (2010), propuseram a interação

eletrostáticas como responsável pela formação de filmes automontados a partir de

polissacarídeos naturais como angico e chichá com poli(o-metoxianilina), a mesma justificativa

também foi apresentada por Radeva, Kamburova e Petkanchin (2006) para filmes de quitosana

com carboximetilcelulose. Estudos com ftalocianinas e quitosana para a produção de filmes

automontados justificam sua formação através de interações eletrostáticas entre o NH3+ da

quitosana e o SO3- das ftalocianinas (SIQUEIRA JR. et al., 2006) e ftalocianinas de cobalto

(SILVA et al., 2013).

3.6 SENSORES ELETROQUÍMICOS

Os primeiros relatos da utilização de sensores eletroquímicos são referentes à década de

50 (ELECTROCHEMICAL SENSORS, 2013). Desde então, foram desenvolvidos sensores com

funcionamento e aplicações variadas. Além de sua conhecida utilização no monitoramento e

controle ambiental, tais ferramentas também são amplamente utilizadas na medicina, alimentos e

na investigação do metabolismo e controle de processos biológicos (LIU, 2000; BRETT, 2001;

STRADIOTTO, YAMANAKA, ZANONI, 2003; BAKKER E QIN, 2006; PEJCIC E DE

MARCO, 2006; PRIVETT, SHIN E SCHOENFISCH, 2008; GUTH, VONAU E ZOSEL, 2009).

Definem-se sensores eletroquímicos como dispositivos que permitem a coleta de dados

qualitativos ou quantitativos havendo a manipulação mínima do sistema estudado, ou seja, estes

devem ser capazes de reagir de forma contínua e reversível e não alterar a amostra. Assim, os

resultados obtidos podem ser analisados e correlacionados com outros parâmetros do ambiente

em que estão inseridos. Dentre as várias características que têm gerado um incremento na

quantidade de pesquisas desenvolvidas sobre tais dispositivos podemos considerar sua habilidade

de determinação e quantificação de diversas substâncias com rapidez, estabilidade, seletividade,

sensibilidade e, principalmente, a possibilidade desta medida ser realizada “in loco” devido à

capacidade de miniaturização desses sistemas de detecção, ou seja, as análises e seus resultados

são obtidos em tempo real. Embora a maioria desses sensores sejam bem desenvolvidos e

possuam elementos suficientes que permitam a tomada de decisões, alguma delas de importância

vital, como no caso do sensores de medidas glicêmicas, análises minuciosas podem ser

necessárias, assim, os métodos instrumentais de grande porte, tais como a espectroscopia na

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região do ultravioleta e visível, de fluorescência, raios-x, 1H-RMN, dentre outras, podem vir a

ser utilizados de maneira complementar, uma vez que estas técnicas possuem maior precisão,

sensibilidade e seletividade (LOWINSOHN E BERTOTTI, 2006).

Apesar de fisicamente os sensores eletroquímicos parecerem muito semelhantes entre si,

o tamanho físico, geometria, seleção dos componentes e sua posterior construção estão

intimamente relacionados com o uso pretendido, o que lhes garante funções marcadamente

diferentes e, por conseguinte, deve-se esperar que os mesmos apresentem desempenho variável

em termos de seletividade, sensibilidade, tempo de resposta e vida útil. Contudo, esses

dispositivos são constituídos, basicamente, por uma membrana que tem a finalidade principal de

realizar o reconhecimento do analito de interesse de maneira seletiva além de controlar a

quantidade de moléculas que atingem a superfície do eletrodo. Através de algum processo

químico, os dados do reconhecimento da espécie de interesse serão enviados a um transdutor que

converterá as informações químicas geradas pela membrana em dados analíticos (geralmente

sinais elétricos) a serem interpretados pelo operador a um detector. Neste, o sinal obtido é

processado, podendo ser filtrado ou amplificado, permitindo, assim, sua quantificação (BRETT,

2001). A Figura 8 apresenta uma representação esquemática dos principais componentes de um

sensor eletroquímico tomando como base as etapas descritas acima.

Figura 8 - Representação esquemática dos principais componentes de um sensor eletroquímico.

Fonte: Próprio autor (2016).

Os biosensores representam ferramentas promissoras para suplementar as técnicas

existentes, devido às suas características únicas, tais como: seletividade, relativo baixo custo de

construção e estocagem, potencial para miniaturização, facilidade de automação e possibilidade

de construção de equipamentos simples e portáteis (MISHRA et al., 2012). Contudo, estas

ferramentas não podem ser encaradas como uma substituição das técnicas analíticas clássicas,

mas sim como um complemento a estas, pois algumas delas podem apresentar problemas de

estabilidade.

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45

O funcionamento de um biosensor, de uma forma geral, envolve a especificidade e alta

sensibilidade do componente biológico com o substrato de interesse. Em seguida, variações de

um ou mais parâmetros físico-químicos são gerados como produto desta interação entre a

molécula biológica e o substrato, produzindo íons, elétrons, calor, luz, variação de massa,

fluorescência ou gases, que são convertidos em um sinal elétrico quantificável e processável pelo

uso de um transdutor adequado (DANIELSSON et al., 1981). Os biosensores, além de se

apresentarem como instrumentos promissores para o monitoramento ambiental rápido e

contínuo, possuem um amplo mercado potencial de aplicação, cobrindo as áreas de diagnose

clínica, militar, controle de processos, alimentícia, de bebidas e agricultura (PRIVETT, SHIN E

SCHOENFISCH, 2010; KIMMEL et al., 2012).

Guan e colaboradores (2012) relataram o desenvolvimento de filmes automontados

utilizando quitosana na identificação de pesticidas organofosfatos. A determinação de dopamina

e ácido ascórbico através de biosensores formados de filmes automontados de quitosana e

metaloftalocianinas de cobre, ferro e níquel mostraram resultados promissores (SIQUEIRA JR.

et al., 2006). Ftalocianinas tetrasulfonadas de níquel foram utilizadas, juntamente com quitosana,

para modificar um eletrodo de carbono vítreo no trabalho de Santos e colaboradores (2012).

3.7 TÉCNICAS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

3.7.1 Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível

A espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível (espectroscopia Uv-Vis) é

uma técnica que permite identificar as transições eletrônicas sofridas por uma determinada

substância, a partir da interação de uma amostra com radiação eletromagnética das regiões do

visível e do ultravioleta do espectro. É, por vezes, chamada de espectroscopia eletrônica porque a

energia é usada para excitar as espécies para níveis de energia eletrônicos mais altos. Assim,

constitui-se em uma das técnicas analíticas mais empregadas, em função de robustez, custo

relativamente baixo e grande número de aplicações desenvolvidas (LOBINSKI E

MARCZENKO, 1992; SHRIVER E ATKINS, 2008).

O princípio fundamental da espectroscopia por Uv-Vis (uv = 180 – 400 nm, visível =

400 – 780 nm), é que a absorção de energia nessas regiões produzem modificações na energia

eletrônica da molécula em consequência da transição dos elétrons de valência. Estas transições

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implicam na excitação de um elétron de um orbital molecular ocupado (geralmente um orbital

não ligante ou um orbital pi ligante) ao orbital de energia superior ( geralmente o primeiro orbital

antiligante pi ou sigma). Chama-se orbital não ligante aquele que contém os elétrons não

envolvidos diretamente na ligação de um dado elemento, ainda que situados na camada de

valência. Ao dizermos que a molécula passou para um nível eletrônico mais elevado, significa

que um elétron passou de um orbital para outro de maior energia. As transições de energia

envolvidas são: σ → σ*, σ → π *, n → σ*, n → π* e π → π* e estão representados na Figura 9.

Figura 9 - Transições eletrônicas observadas na espectroscopia de Uv-Vis.

Fonte: Adaptado de (PAVIA et al., 2010).

O espectro de absorção correspondente à excitação eletrônica das moléculas por

radiações compreendidas na região do ultravioleta e do visível, ou em ambas, geralmente entre

comprimentos de onda entre 180 e 780 nm. A absorção de energia depende da estrutura

eletrônica da molécula, e por isso, a espectroscopia na região do Uv-Vis tem ampla aplicação na

caracterização de uma série de propiedades de diversas espécies orgânicas e inorgânicas. Como a

energia absorvida é quantizada, o espectro de uma única transição eletrônica deveria

corresponder a uma linha discreta. Esta previsão não se confirma, uma vez que a absorção

eletrônica se sobrepõe a subníveis rotacionais e vibracionais; assim, um espectro de UV tem o

aspecto de uma banda larga (PAVIA et al., 2010).

As principais características de uma banda de absorção são a sua posição e sua

intensidade. O baricentro da absorção corresponde ao comprimento de onda da radiação cuja

energia é igual à necessária para que ocorra a transição eletrônica e a intensidade depende,

principalmente, da interação entre a energia e o sistema eletrônico.

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As medidas de absorção de radiação nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho do

espectro eletromagnético são matematicamente fundamentadas pela lei de Lambert-Beer. Ela

fornece a relação entre a intensidade da luz incidindo na solução (I0), e a intensidade da luz

saindo da solução (I) e estabelece que a absorbância é diretamente proporcional ao caminho (b)

que a luz percorre na amostra, à concentração (c) e a absortividade molar (ε):

A= log(I0/I) = εbc

A absortividade molar é uma propriedade de cada transição eletrônica e está relacionada

com a permissividade de ocorrência de uma transição. Quanto maior a intensidade de uma

banda, maior a absortividade molar e maior a probabilidade dessa transição ocorrer.

Os complexos metálicos apresentam, em geral, quatro tipos característicos de bandas

em seus espectros que são atribuídas às seguintes transições eletrônicas.

1. Transições de campo ligante (d → d) – Ocorrem entre os níveis de energia originados

pelo desdobramento dos orbitais d dos íons metálicos, decorrentes das interações

eletrostáticas com os ligantes.

2. Transições de transferência de carga ligante-metal (LMCT) – Ocorrem devido às

transferências de densidade eletrônica dos orbitais dos ligantes para os orbitais de

energias mais apropriadas no metal.

3. Transições de transferências de carga metal-ligante (MLCT) – Ocorrem devido às

transferências de densidade eletrônica dos orbitais dπ do metal para os orbitais de

energias mais apropriadas nos ligantes.

4. Transições interna dos ligantes – São geralmente provenientes das transições n → π*

e π → π* que os ligantes livres de coordenação apresentam em seus espectros

eletrônicos.

Além de permitir identificar as transições eletrônicas que sofre uma substância, a

técnica de Uv-Vis é muito útil no processo de produção de filmes automontados. Comumente

encontra-se esta técnica associada ao acompanhamento do crescimento de filmes finos. Segundo

Paterno, Mattoso e Oliveira Jr. (2001) a absorbância obtida a cada camada formada de um filme

é diretamente proprocional à quantidade de material adsorvido na deposição destas camadas.

Assim, se há um crescimento linear da absorbância, pode-se dizer que quantidades equivalentes

dos materiais foram adsorvidos. Estevam e colaboradores (2015), Li e colaboradores (2014),

Eiras e colaboradores (2007, 2010) e Santos e colaboradores (2010) são exemplos de alguns

autores que utilizaram a técnica para esse fim.

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3.7.2 Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho

A Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho (IV) é uma das mais

importantes técnicas instrumentais atualmente utilizadas. Além de já ser bem estabelecida, pode

ser utilizada tanto para trabalhos de rotina como o controle de qualidade, quanto à elucidação de

estruturas moleculares razoavelmente complexas (STUART, 2004).

A radiação infravermelha corresponde aproximadamente à parte do espectro

eletromagnético situada entre as regiões do visível e do microondas. A porção de maior utilidade

na análise e identificação de materiais está situada entre 4000 e 400 cm-1

(2,5 e 25 µm), o

chamado infravermelho médio.

A espectroscopia por IV é baseada nas vibrações dos átomos numa molécula com a

radiação eletromagnética. As ligações covalentes que constituem as moléculas estão em

constante movimentos axiais e angulares. A radiação IV faz com que os átomos e grupos de

átomos da molécula vibrem com amplitude aumentada ao redor de suas ligações. O processo é

quantizado, ou seja, apenas certas frequências são absorvidas e essa absorção corresponde a

variações de energia na ordem de 8 a 40 kJ/mol (PAVIA et al., 2010), porém, o espectro

vibracional costuma aparecer como uma série de bandas, porque cada mudança de nível de

energia vibracional corresponde uma série de mudanças de níveis de energia rotacional, desta

forma, as linhas se sobrepõem dando origem às bandas observadas no espectro (SILVERSTEIN,

2000).

Cada frequência de absorção presente num espectro no IV corresponde a uma

frequência de vibração de uma parte de uma molécula da amostra e as posições das bandas nos

espectros geralmente são apresentadas em número de onda (cm-1

), e as intensidades das bandas

em porcentagem de transmitância (%T). A transmitância é a razão entre a energia radiante

transmitida por uma amostra (I) e a energia radiante que nela incide (I0), conforme a equação a

seguir:

%T = I

x 100 I0

As vibrações moleculares podem ser classificadas em deformações axiais e angulares.

Uma vibração de deformação axial é um movimento rítmico ao longo do eixo da ligação que faz

com que a distância interatômica aumente e diminua alternadamente. As vibrações de

deformação angular correspondem a variações ritmadas de ligações que tem um átomo em

comum ou o movimento de um grupo de átomos em relação ao resto da molécula sem que as

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posições relativas dos átomos do grupo se alterem. Assim, por exemplo, as vibrações de

deformação angular envolvem a alteração dos ângulos de ligação em relação a um conjunto de

coordenadas arbitrário da molécula (SILVERSTEIN, 2000).

De uma forma geral, as ligações moleculares podem vibrar em seis modos. Nas

vibrações de estiramento os átomos se movem na direção da ligação sem alterar o ângulo de

valência. No estiramento simétrico os átomos de hidrogênio se afastam e se aproximam a

distâncias iguais do átomo central de carbono. No estiramento assimétrico, um átomo de

hidrogênio se aproxima e outro se afasta do átomo de carbono. Quando o sistema triatômico faz

parte de uma molécula, tem-se quatro tipos de vibrações de flexão ou deformação que causarão

oscilações nos átomos, no grupo como um todo e perpendicular a sua ligação química. Na

vibração de deformação angular assimétrica fora do plano (“twist”, torção), a unidade estrutural

oscila de um lado para outro em torno da ligação que a une ao resto da molécula; na deformação

angular simétrica no plano (“scissor”, tesoura), os átomos conectados ao átomo central se

aproximam e se afastam entre si com alteração do ângulo devalência simétrico ao plano; na

deformação angular assimétrica no plano (“rocking”, balanço), a unidade estrutural oscila de um

lado para outro no plano de simetria da molécula; e deformação angular simétrica fora do plano

(“wagging”, sacudida) – a unidade estrutural oscila de um lado para outro em um plano

perpendicular ao plano de simetria da molécula (HOBART, MERRIT E DEAN JR., 1988). A

Figura 10 apresenta os modos de vibração de ligações similares unidas por um átomo comum

(H–C–H).

Apesar da técnica de IV possibilitar a análise de compostos nos estados líquido e

gasoso, a análise na forma sólida é a mais comum. Normalmente são dissolvidos e analisados

como solução diluída e, quando insolúveis, o material é triturado em pequenas partículas e

misturado com brometo de potássio, comprimido e prensado, formando um disco de 2 cm de

diâmetro espessura variável em função da substancia em análise, permitindo obter espectros que

qualificam os compostos. Nestes, as bandas podem ser qualificadas quanto à sua intensidade

como forte (F), média (m) e fraca (f).

A observação das intensidades das bandas e do número de onda onde ocorrem permite

identificar os tipos de vibrações sofridas pelas moléculas, permitindo utilizar a técnica em

diversas aplicações. Dentre elas é possível citar a detecção de traços de constituintes (DAI et al.,

2015), identificação de estrutura e grupos funcionais em compostos (BEPPU, ARRUDA E

SANTANA, 1999; SANTOS et al., 2003; PAL, SAINI E KUMAR, 2016), determinação da

concentração de compostos (LEIVA et al., 2010), estudo da cinética de reação (RODRIGUES E

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NEUMANN, 2003; BARNDÕK, 2016), medida de espessura de camadas (BASS E FREGER,

2015; FUNKE et al., 2015), dentre outras.

Figura 10 - Modos vibracionais de ligações similares unidas por um átomo comum (H–C–H).

Os sinais + e – indicam os movimentos perpendiculares ao plano da página.

Estiramento simétrico

Estiramento assimétrico

+ -

Deformação angular assimétrica fora do

plano

Deformação angular simétrica no plano

Deformação angular assimétrica no plano

+ +

Deformação angular simétrica fora do plano

Fonte: Próprio autor (2016).

3.7.3 Análise Termogravimétrica e Termogravimetria Derivada

A análise termogravimétrica (TG) é uma técnica termoanalítica que mede a variação da

massa de uma amostra em função do tempo ou programação de temperatura. Já a

termogravimetria derivada (DTG) é apenas um arranjo matemático no qual a derivada da

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variação do tempo (dm/dt) é registrada em função da temperatura ou tempo. Em outras palavras,

a DTG é a derivada primeira da TG.

Na análise por TG, as medidas são feitas usando-se uma termobalança, a qual consiste

de uma microbalança eletrônica, um forno de temperatura programável e um controlador que

permite que a amostra seja ao mesmo tempo aquecida e pesada. A amostra é pesada em um

porta-amostra (cadinho) e fica suspensa na balança dentro do forno. A temperatura do forno

geralmente sofre um aumento linear, mas esquemas de aquecimento mais complexos,

aquecimentos isotérmicos e protocolos de resfriamento também podem ser usados. A balança e o

forno estão situados dentro de um sistema fechado, de forma que a atmosfera pode ser controlada

e ser inerte ou reativa, dependendo da natureza da investigação, ou ainda estática ou em fluxo.

Uma atmosfera em fluxo é de grande importância no caso de amostras que liberem gases durante

o aquecimento, pois para evitar que estes gases retornem e se condensem na parte eletrônica do

aparelho, é necessário realizar uma purga do sistema (arraste de qualquer espécie volátil ou

corrosiva), com ar sintético para ensaios realizados em atmosfera oxidante e com nitrogênio

gasoso para ensaios realizados em atmosfera inerte (SHRIVER E ATKINS, 2008). Os resultados

da análise são apresentados nas formas de curvas de TG e DTG. As vantagens na obtenção das

curvas de DTG estão relacionadas à exatidão com que indicam as temperaturas correspondentes

ao início da decomposição e ao instante em que a velocidade de reação é máxima, os picos

agudos permitem distinguir claramente uma sucessão de reações, e as áreas dos picos

correspondem à perda ou ganho de massa sofrida pelo composto e podem ser utilizadas, por

exemplo, em determinações quantitativas.

Os fatores mais comuns que podem afetar as medidas de TG/DTG estão apresentados

na Tabela 5 a seguir.

Tabela 5 - Fatores que influenciam as medidas de TG/DTG.

Fatores instrumentais Fatores da amostra

Razão de aquecimento do forno Quantidade de amostra

Atmosfera do forno Solubilidade dos gases envolvidos

Sensibilidade da balança Tamanho das partículas

Posição do suporte da amostra e do forno Empacotamento da amostra

Geometria e composição do suporte da amostra Condutividade térmica

Fonte: (IONASHIRO, 2004).

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Os fatores acima expostos são bem discutidos por Ionashiro (2004). Quanto à razão de

aquecimento do forno, de um modo geral, a diminuição desta provoca uma diminuição nas

temperaturas aparentes das reações de decomposição. No caso do efeito da atmosfera do forno

quando há a liberação de substâncias gasosas durante a decomposição da amostra, um aumento

na pressão do gás (ou de vapor) provoca um decréscimo na velocidade de reação. A utilização do

gás de purga (geralmente um gás inerte como He, N2, Ar e CO2) se dá para diminuir este efeito,

porém, o tipo de gás de purga utilizado também pode afetar a curva de TG, pois mesmo que não

havendo nenhuma reação entre a amostra e a atmosfera, gases com maior condutividade térmica

provocam um aumento na velocidade de decomposição da amostra. Os demais fatores

instrumentais são controlados pelos fabricantes dos sistemas termoanalíticos.

O aspecto das curvas TG também depende de fatores ligados às características das

amostras. De um modo geral, quanto maior a massa da amostra, maior será a temperatura inicial

e final de decomposição térmica, a diminuição do tamanho das partículas de uma amostra

provoca uma diminuição das temperaturas nas quais a reação de decomposição se inicia e

termina. Os efeitos de solubilidade de gases em sólidos e de empacotamento, quantidade e

condutividade térmica da amostra são menos estudados. O primeiro por ser um fator que

dificilmente será eliminado ou medido, contudo, para minimizar seu efeito, sugere-se a utilização

de cadinhos rasos e sem tampa, e a distribuição da amostra na forma de camadas finas e fazendo

fluir um gás inerte através do forno ou a utilização de taxas de aquecimento lenta para permitir a

secagem do material. O segundo se dá pelo fato de ser difícil reproduzir um conjunto bem

definido de condições experimentais, pois a condutividade térmica de uma amostra depende da

sua densidade, e esta do tamanho das partículas e da sua compactação. Além disso, a densidade

de uma amostra pode variar devido aos processos de fusão, conversão em subtância diferente,

sinterização e estufamento que vão ocorrendo à medida que a reação ocorre. A quantidade de

amostra também influi, pois massas maiores requerem maior temperatura de decomposição

(IONASHIRO, 2004).

Algumas das aplicações da termogravimetria são: composição de misturas complexas,

ou seja, determinação do teor de voláteis e cargas em materiais poliméricos; umidade, voláteis e

teor de resíduos em materiais inorgânicos. Em estudos recentes a TG foi utilizada avaliar

estabilidade térmica de um revestimento entumescente de poli(aliamina) em um tecido de

poliamida formado pela técnica da automontagem, onde atuou alterando a via de decomposição

do tecido, tornando-o mais resistente ao calor (APAYDIN et al., 2014). O mesmo efeito foi

observado por estes autores em (2015) quando projetaram um revestimento de poli(alilamina),

com polifosfatos de sódio e nanopartículas de TiO2 pela técnica da automontagem. Outros

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trabalhos que utilizam a técnica para caracterizar as etapas de decomposição térmica de filmes

finos de polímeros, dentre eles a quitosana, foram desenvolvidos por Lin e colaboradores (2009),

Zhou e colaboradores (2014), Carosio e colaboradores (2015), Fang e colaboradores (2015), Pan

e colaboradores (2015), e Xue e Chan (2015).

3.7.4 Voltametria Cíclica

A voltametria é uma técnica eletroanalítica que se baseia na medida da corrente em uma

célula eletroquímica sob condições de completa polarização de concentração, na qual a oxidação

ou redução do analito é limitada pela velocidade de transferência de massa do analito para a

superfície do eletrodo havendo um consumo mínimo desse. É amplamente empregada em

estudos de processos de oxidação e redução em vários meios, processos de adsorção às

superfícies e mecanismos de transferência de elétrons em superfícies modificadas de eletrodos

(SKOOG et al., 2009).

Figura 11 - Representação de uma cela eletroquímica.

Fonte: Adaptado de (BORGO et al., 2003).

No desenvolvimento de medidas voltamétricas, a célula eletroquímica, representada na

Figura 11, é constituída de três eletrodos imersos em uma solução com um excesso de um

eletrólito não reativo chamado eletrólito de suporte. Este se constitui em um sal, geralmente de

metal alcalino, adicionado em excesso à solução do analito, que reduz os efeitos da migração e

resistência da solução. Um dos eletrodos é o eletrodo de trabalho, cujo potencial em relação a

um eletrodo de referência varia linearmente com o tempo. É através dele que o analito sofre as

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reações redox. O eletrodo de referência possui um potencial que permanece constante durante

todo o experimento. O terceiro é o contra-eletrodo que, frequentemente é um fio de platina. A

fonte do sinal é uma corrente contínua variável; a faixa de potencial pode ser ajustada de acordo

com a necessidade do operador e o voltímetro possui uma resistência tão elevada (> 1011

Ω) que,

essencialmente, não há passagem de corrente pelo circuito contendo o medidor e o eletrodo de

referência. Portanto, pode-se dizer que toda a corrente oriunda da fonte flui entre o contra-

eletrodo e o eletrodo de trabalho.

A voltametria cíclica (VC) é uma variação da voltametria, que embora não seja utilizada

com frequência em análise quantitativa, encontra ampla aplicabilidade no estudo de reações

redox, na detecção de intermediários de reação, na observação e no acompanhamento de reações

envolvendo produtos formados nos eletrodos. Na VC, a aplicação do potencial inicia-se de um

valor no qual nenhuma redução ocorre. Mas, com o aumento do potencial para regiões mais

negativas (catódica) ocorre a redução do composto em solução, gerando um pico de corrente

proporcional à concentração deste composto. Quando o potencial já tiver atingido um valor no

qual nenhuma reação de redução ocorre, o potencial é varrido no sentido inverso, até o valor

inicial e, no caso de uma reação reversível, os produtos que tiverem sido gerados no sentido

direto (e se localizam ainda próximos à superfície do eletrodo) serão oxidados, gerando um pico

simétrico ao pico da redução. O perfil de voltamograma gerado depende do tipo de mecanismo

redox que o composto em questão sofre no eletrodo, o que faz da voltametria cíclica uma

ferramenta valiosa para estudos mecanísticos. Estes experimentos podem envolver um ciclo

inteiro, um ciclo parcial ou ainda vários ciclos.

O resultado desse tipo de análise é um voltamograma semelhante ao apresentado na

Figura 12, onde é demonstrado como determinar os potenciais e correntes de pico catódico e

anódico.

Para uma reação reversível, como ilustrado na Figura 12, os picos de corrente catódico e

anódico são aproximadamente iguais em valores absolutos, mas com sinais opostos. Neste tipo

de reação, a diferença entre os potenciais de pico está relacionada com o número de elétrons

envolvidos na semi-reação da seguinte maneira:

∆Ep = |Epa – Epc| = 0,059

(2) N

em que n é o número de elétrons envolvidos na semi-reação. Em reações irreversíveis, causadas

por cinéticas lentas de transferência de elétrons, os valores de ∆Ep excedem os valores previstos.

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Há reações que, sob baixas velocidades de varredura, podem parecer reversíveis. No entanto, o

aumento dessa velocidade pode provocar o aumento de ∆Ep, caracterizando a irreversibilidade da

mesma. Por isso se faz necessário utilizar diferentes taxas de varreduras na análise de um

determinado analito.

Figura 12 - Exemplo de um voltamograma típico em que: Epc é o potencial de pico catódico; Epa,

potencial de pico anódico; ipc, corrente de pico catódico; e ipa, corrente de pico anódico.

Fonte: Próprio autor (2016).

Para a química de coordenação, esta técnica eletroanalítica é bastante útil na

determinação do potencial redox de complexos, podendo fornecer informações sobre a

capacidade doadora ou receptora dos ligantes em um determinado composto, através das

comparações dos valores dos potenciais anódicos e catódicos, bem como dos valores dos

potenciais de meia-onda em sistemas reversíveis.

Na literatura podem ser encontrados muitos exemplos de estudos que utilizam a

voltametria cíclica para caracterizar filmes automontados. Um exemplo é descrito por Intema

(2011) que preparou e caracterizou filmes automontados contendo polieletrólitos inorgânicos e

goma do cajueiro para a determinação de dopamina. Seus resultados indicam que os filmes

contendo a goma apresentaram maior estabilidade em função do número de ciclos voltamétricos

em relação aos que não a possuíam.

A voltametria cíclica tem sido uma técnica importante na caracterização dos filmes,

como também na sua identificação como biosensor. Desta forma, filmes automontados utilizando

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a goma do chichá e ftalocianinas mostraram boa estabilidade eletroquímica e reversibilidade,

além disto, foi testado com relação à possibilidade de detecção da dopamina (ZAMPA et al.,

2007). Caracterização do filme de quitosana automontado para identificação de pesticidas

organosfosfatos também foi realizado por esta técnica (GUAN et al., 2012). Estes são apenas

alguns dos exemplos de utilização da voltametria ciclica para a caracterização dos biosensores.

3.7.5 Microscopia Eletrônica de Varredura

O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos mais versáteis instrumentos

disponíveis para a observação e análise de características microestruturais de objetos sólidos. A

principal razão de sua utilidade é a alta resolução que pode ser obtida quando as amostras são

observadas; valores da ordem de 2 a 5 nanômetros são geralmente apresentados por instrumentos

comerciais, enquanto instrumentos de pesquisa avançada são capazes de alcançar uma resolução

melhor que 1 nm (NAGATANI et al., 1987).

Outra característica importante do MEV é a aparência tridimensional da imagem das

amostras, resultado direto da grande profundidade de campo. Permite, também, o exame em

pequenos aumentos e com grande profundidade de foco, o que é extremamente útil, pois a

imagem eletrônica complementa a informação dada pela imagem óptica.

O princípio de funcionamento do MEV é bem descrito por Dedavid, Gomes e Machado

(2007). Segundo estes, consiste em utilizar um feixe de elétrons de pequeno diâmetro para

explorar a superfície da amostra, ponto a ponto, por linhas sucessivas e transmitir o sinal do

detector a uma tela catódica cuja varredura encontra-se sincronizada com a do feixe incidente.

Nessa técnica o feixe é guiado de modo a varrer a superfície da amostra e o sinal de imagem

resulta da interação do feixe incidente com a superfície da amostra. Esse feixe pode ser acelerado

a uma faixa de tensões variando entre 1 a 50 kV criando uma alta tensão que é focalizada por

uma série de lentes eletromagnéticas. O feixe interagindo com a amostra produz elétrons e fótons

que podem ser coletadas por detectores adequados e convertidas em um sinal de vídeo.

A imagem formada a partir do sinal captado na varredura eletrônica de uma superfície

pode apresentar diferentes características, uma vez que a imagem resulta da amplificação de um

sinal obtido de uma interação entre o feixe eletrônico e o material da amostra. Diferentes sinais

podem ser emitidos pela amostra. Dentre os sinais emitidos, os mais utilizados para obtenção da

imagem são originários dos elétrons secundários e/ou dos elétrons retroespalhados.

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57

Os elétrons secundários (“secondary electron” – SE) são de baixa energia (< 50 eV), e

formarão imagens com alta resolução (3-5 nm) cujo contraste é dado, sobretudo, pelo relevo da

amostra, que é o principal modo de formação de imagem no MEV. Ou seja, esse modo de análise

permite a visualiazação da topografia da amostra em elevada profundidade. Já os elétrons

retroespalhados (“backscattering electron” – BSE) possuem energia que varia entre 50 eV até o

valor da energia do elétron primário. A imagem gerada por esses elétrons decorre das diferenças

de número atômico dos elementos que compõem a amostra: números atômicos mais elevados

retroespalham mais elétrons resultando em pontos mais brilhantes na amostra. Desta forma, a

imagem virtual resultante dá idéia da heterogeneidade da composição da amostra (DEDAVID,

GOMES E MACHADO, 2007). A diferença entre essas imagens podem ser observada na Figura

13 que mostra micrografias de discos de titânio revestidos com quitosana por ambos os modos de

análise.

Figura 13 - Micrografias de discos de titânio revestidos com quitosana por SE (a) e BSE (b).

Fonte: (D’ALMEIDA et al., 2015).

A microscopia eletrônica de varredura é utilizada em várias áreas do conhecimento,

sendo amplamente utilizada para estudar os aspectos de superfície dos materiais. O uso desta

técnica vem se tornando mais frequente por fornecer informações detalhadas do estado de

cristalização de produtos obtidos por diferentes técnicas de complexação ou dispersão com

polímeros (DUARTE et al., 2003; RIBEIRO et al., 2008).

Assis e Silva (2003) já haviam demonstrado que filmes finos de quitosana são estáveis,

apresentando poucas falhas aparentes e ausentes de macroporos. Recentemente Kang e

colaboradores (2015) realizaram experimentos de construção de filmes automontados pela

interação de composto orgânico (biopolímero goma de gelano) com um inorgânico (óxido de

grafeno) os quais apresentaram superfícies planas com rugosidade em nano escala. Buron e

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58

colaboradores (2014) utilizaram a técnica de MEV para caracterizar morfologicamente filmes

automontados de polímeros como quitosana e polianilina com a enzima urease. Observando as

imagens obtidas, concluíram que a estrutura obtida é de nanofios entrelaçados que conduzem a

uma estrutura ramificada, uniformemente fibrilar e altamente poroso, típica de filmes de

polianilina. Diversos outros autores têm relatado a utilização do MEV para caracterização de

superfícies de filmes automontados de quitosana com sucesso (LUO et al., 2006; HAN et al.,

2015; MAO et al., 2015; PAN et al., 2015, XUE E CHAN, 2015).

3.7.6 Análise por Energia Dispersiva de Raios-X

Apesar da técnica Energia Dispersiva por Raiox-X (EDS) ser uma análise de

espectroscopia, ela é usualmente apresentada juntamente com a MEV ou com EPMA

(Microanálise por feixe de elétrons) pela sua disponibilidade nestes equipamentos. As

informações, qualitativas e quantitativas, sobre os elementos presentes são obtidas pela captação

dos raios-X característicos resultantes da interação do feixe eletrônico com a amostra.

Tal como a espectroscopia de Uv-Vis e de IV, seu princípio está relacionado à

quantização da energia nos orbitais atômicos. Após uma determinada amostra ser bombardeada

por um feixe de elétrons, e a transição eletrônica ocorre removendo um elétron de uma camada

interna (K, L, M, N) o átomo fica em um estado excitado de energia permitindo que um elétron

de uma camada mais energética decaia para preencher o orbital vazio. Este decaimento ocorre

com emissão de energia na forma de um fóton de raios-X. Como as diferenças de energia são

bem definidas e específicas dos elementos estes fótons são denominados raios-X característicos e

permitem identificar o elemento que está emitindo a radiação, obtendo um mapa de imagem da

distribuição de um elemento em uma amostra não homogênea (DEDAVID, GOMES E

MACHADO, 2007).

A EDS usa um material semicondutor, para detectar os raios-X, e um analisador

multicanal e converte a energia de raios-X em uma contagem eletrônica. A partir do valor

acumulado destas contagens é criado um espectro que representa a análise química da amostra.

Para a análise quantitativa dos elementos, deve-se utilizar padrões com concentrações

conhecidas dos elementos a serem analisados (DEDAVID, GOMES E MACHADO, 2007).

Apesar de sua maior utilização ser na quantificação de elementos químicos de uma

amostra (SILVA et al., 2015; NOURMOHAMMADI, GHAEE E LIAVALI, 2016), a EDS

também pode ser utilizada para avaliar a distribuição dos elementos na superfície da amostra.

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59

Nesse caso, os elementos químicos que compõem determinada amostra são mostrados na forma

de mapas cuja concentração é representada por cores, tal como apresentado na Figura 14. Nesta

aplicação, um determinado elemento é inicialmente selecionado para ser detectado e ter sua

posição identificada. Após várias passagens do feixe de elétrons sobre a área, é gerado um mapa

de regiões brilhantes que representa a distribuição relativa do elemento previamente selecionado.

Figura 14 - Imagem da seção de uma esfera de quitosana carregada com prata obtida por MEV

(a) e mapeamento por EDS quantitativo (b) e qualitativo dos elementos carbono (c), oxigênio (d)

e prata (e).

(a) (b)

(c) (d) (e)

Fonte: (YANG et al., 2016).

Yang e colaboradores (2016) utilizaram a técnica para caracterizar nanopartículas de

quitosana com prata para fim de aplicação farmacêutica devido à sua atividade antibacteriana.

Essa técnica também já está sendo aplicada para filmes finos. Ciszewski e Stepniak (2013)

demonstraram que filmes finos de hidróxido de níquel incorporados em uma membrana de

quitosana e depositado sobre um eletrodo de carbono vítreo apresentam dispersão uniforme

utilizando a técnica de EDS e MEV.

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60

A seguir serão apresentados as metodologias e procedimentos utilizados neste trabalho.

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61

Parte experimental

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62

4 PARTE EXPERIMENTAL

Na presente seção, são apresentados os principais materiais e a descrição dos procedimentos

utilizados durante o desenvolvimento desse trabalho.

4.1. PURIFICAÇÃO DA QUITOSANA

A quitosana obtida da Polymar foi purificada por três diferentes formas. As

metodologias foram propostas por Signini e Campana Filho (2001) com modificações e estão

descritas a seguir:

a) Forma neutra (QtNeutra): Aproximadamente 1,0 g de quitosana bruta foi

disperso em 300 mL de ácido acético diluído (1%) e a suspensão foi mantida sob agitação

constante durante 24h. A solução resultante foi filtrada em papel de filtro seguido de

filtração com funil de placa porosa G4. À solução filtrada foi adicionado hidróxido de

amônio concentrado até a ocorrência de precipitação. Em seguida, o precipitado foi

filtrado em funil de placa porosa G4, lavado com água destilada até pH 7 e com metanol

absoluto. O precipitado foi então transferido para um almofariz, onde foi mascerado e

submetido a aquecimento até 90 °C. Ao final deste processo tem-se a quitosana

purificada na forma de pó, a mesma foi armazenado em frasco de acrílico e mantido em

dessecador.

b) Acetato de quitosana (QtAcetato): Aproximadamente 1,0 g de quitosana bruta

foi disperso em 150 mL de ácido acético diluído (1%) e a suspensão foi mantida sob

agitação constante durante 24h. À solução resultante foram adicionados 150 mL de uma

solução de acetato de sódio 0,2 M e deixado sob agitação por mais 15 min. Em seguida, a

mistura foi filtrada em papel de filtro seguido de filtração com funil de placa porosa G4.

A seguir a solução foi precipitada em etanol absoluto, armazenada na geladeira por 15

min e filtrada em funil de placa porosa G4. O precipitado foi lavado três vezes com etanol

P.A. e, na última etapa, com metanol absoluto. O precipitado foi então transferido para

um almofariz, onde foi mascerado e submetido a aquecimento até 90 °C. Ao final deste

processo tem-se a quitosana purificada na forma de pó, a mesma foi armazenada em

frasco de acrílico e mantido em dessecador.

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63

c) Cloridrato de quitosana (QtCloridrato): Aproximadamente 1,0 g de quitosana

bruta foi disperso em 150 mL de ácido clorídrico 0,05 M e a suspensão foi mantida sob

agitação constante durante 24h. À solução resultante foram adicionados 150 mL de

cloreto de sódio 0,02 M e deixado sob agitação por mais 15 min. Em seguida, a mistura

foi filtrada em papel de filtro seguido de filtração com funil de placa porosa G4. A seguir

a solução foi precipitada em etanol absoluto, armazenada na geladeira por 15 min e

filtrada em funil de placa porosa G4. O precipitado foi lavado três vezes com etanol P.A.

e, na última etapa, metanol absoluto foi empregado. O precipitado foi então transferido

para um almofariz, onde foi mascerado e submetido a aquecimento até 90 °C. Ao final

deste processo tem-se a quitosana purificada na forma de pó, a mesma foi armazenado em

frasco de acrílico e mantido em dessecador.

4.2 CONSTRUÇÃO DOS FILMES AUTOMONTADOS

A fim de permitir a deposição do primeiro material (quitosana) e limpeza do substrato,

este foi previamente funcionalizado em solução piranha. Assim, o substrato foi mergulhado em

solução H2SO4/H2O2 (7:3 v/v) por 15 minutos, seguido de limpeza no ultrassom por 1 h.

Posteriormente, foram lavadas com água destilada, imersas em solução H2O/NH4OH/H2O2

(5:1:1) por 15 min e lavada novamente com água.

Os filmes foram preparados usando uma solução da quitosana purificada (0,031 mol/L)

solubilizada em ácido acético 1% por 24 horas, ao final o pH da solução era de 3,0. As soluções

dos complexos NPS (PROQUÍMIOS) e RubpyNO (disponibilizado pelo Prof. Dr. Francisco

Ordelei Nascimento da Silva – IQ/UFRN) e foram preparadas na concentração 23 g/L (77,2

mmol/L para o NPS e 35,3 mmol/L, para o RubpyNO) em metanol (determinada após diversos

testes), apresentando pH igual a 5,1 e 4,9, respectivamente, sem que houvesse purificação prévia.

A deposição de cada camada foi realizada através da imersão do substrato em cada

solução por 10 minutos, após cada mergulho o substrato foi lavado com água destilada e a

secagem com ar. Os filmes foram preparados com (Qt/NPS)n e (Qt/RubpyNO)n, sendo “n” o

número de camadas, variando de n = 1 a 20 bicamadas. Os filmes foram obtidos em substrato de

quartzo ou óxido de titânio (ITO), dependendo da técnica de caracterização. Assim foram

obtidos os seguintes filmes para o complexo de NPS e RubpyNO:

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64

QtNeutra/NPS QtNeutra/RubpyNO

QtAcetato/NPS QtAcetato/RubpyNO

QtCloridrato/NPS QtCloridrato/RubpyNO

4.3 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS

4.3.1 Determinação do Grau de Desacetilação (GD) das Quitosanas Purificadas

A determinação do grau de desacetilação da quitosana purificada foi determinada

através da titulação condutimétrica adaptado do trabalho de Raymond e colaboradores (1993).

Neste procedimento, 200 mg da amostra de quitosana foi agitada em 40 mL de solução de HCl

0,05 mol/L por 18 h. As amostras foram tituladas com solução de NaOH 0,189 mol/L à

temperatura de 25 °C ± 0,1 °C. As variações de condutância durante a titulação foram medidas

por um condutivímetro mcA 150 MS TECNOPON Instrumentação, equipado com célula

condutimétrica. As análises foram realizadas em triplicata.

4.3.2 Determinação da viscosidade intrínseca e massa molar viscosimétrica (Mv)

As medidas viscosimétricas das amostras de quitosana foram realizadas em um

viscosímetro Ubbeload, a uma temperatura de 25,0 ± 0,1°C. Para estas análises, foram

preparadas soluções diluídas dos polissacarídeos, utilizando como solvente um tampão formado

por ácido acético 0,3 mol/L e acetato de sódio 0,2 mol/L. As soluções foram filtradas antes da

determinação de viscosidade, cujo procedimento foi realizado em triplicata. A viscosidade

intrínseca, [], foi determinada pela extrapolação dos dados de viscosidade à diluição infinita, de

acordo com a Equação de Huggins (Huggins, 1942). A massa molar viscosimétrica média, Mv,

foi determinada através da Equação de Mark-Houwink.

Durante os experimentos, a temperatura deve permanecer constante, certificando-se que

a sua variação seja no máximo de 0,01 °C e deve-se ter atenção quanto à presença de impurezas

no equipamento que podem alterar o fluxo do fluído, caso estejam incrustadas na parede do

capilar.

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4.3.3 Análise por Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho

Os espectros de infravermelho da quitosana purificada nas 3 formas e dos complexos

foram obtidos em um espectrofotômetro Shimadzu, modelo FTIR-8400S, série IRAFFINITY-1,

software IRSOLUTION, versão 1.60, com número de varredura igual a 30, resolução 4 e

unidade expressa na forma de cm-1

. Todas as amostras foram preparadas em estado sólido, na

forma de pastilhas. Para tal, as amostras sólidas foram diluídas com brometo de potássio

espectroscópico (KBr), maceradas em um almofariz e prensadas para a obtenção da pastilha.

4.3.4 Análise por Espectroscopia Eletrônica na Região do Ultravioleta e Visível

Os espectros eletrônicos foram obtidos através da preparação de soluções dos

complexos em metanol absoluto P.A. (VETEC), utilizando o espectrofotômetro modelo Agilent

8453 UV-visible Spectroscopy System fazendo uso de uma cubeta de quartzo com 1 cm de

caminho óptico.

O acompanhamento do crescimento dos filmes foi realizado através da técnica de

espectroscopia de absorbância no Uv-Vis (Agilent, modelo 8453) sobre uma placa de quartzo. A

medida da absorbância de cada uma das bicamadas formadas no processo de construção dos

filmes foi determinada pela incidência direta do feixe luminoso sobre o substrato.

4.3.5 Análise Termogravimétrica (TG)

A análise termogravimétrica das amostras de quitosana e dos filmes foi realizada em um

aparelho analisador termogravimétrico e calorímetro simultâneo, modelo SDTQ600 do

fabricante TA Instruments. Cerca de 3,00 mg de amostra foi analisada em cadinho de alumina e

aquecido a partir de 25°C até 900°C a uma taxa de 2,5 ºC/min sob atmosfera de nitrogênio, com

fluxo de 50 mL/min.

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66

4.3.6 Voltametria Cíclica

As medidas eletroquímicas dos complexos e dos filmes foram obtidas por voltametria

cíclica usando um potenciostato/galvanostato AUTOLAB AUT 85282. Foi utilizada uma cela

eletroquímica com volume total de 50 mL e tampa com encaixe para três eletrodos. Como

eletrodo de referência foi utilizado o eletrodo de prata/cloreto de prata, um eletrodo de platina foi

utilizado como contra-eletrodo, e o eletrodo de trabalho foi o de carbono vítreo. Os experimentos

foram realizados diluindo-se 20 mL da solução de cada um dos complexos (mesma concentração

utilizada na construção dos filmes) em 10 mL de uma solução de cloreto de potássio (KCl) 0,1

mol/L, em sala climatizada à temperatura de 17 °C. As soluções finais de NPS e RubpyNO

apresentaram pH igual a 6,7 e 5,8, respectivamente. No caso dos filmes, o crescimento dos

filmes para a caracterização eletroquímica por voltametria cíclica foi realizado no substrato ITO.

4.3.7 Caracterização morfológica

As micrografias eletrônicas de varredura (MEV) foram obtidas em um equipamento

Hitachi (modelo Hitachi Tabletop Microscope TM-3000) com detector semicondutor de elétrons

retroespalhados de alta sensibilidade, operando com feixe de elétrons de 15 kV. Cada

micrografia foi obtida com as seguintes ampliações: 100, 500, 1.000, 2.000, 3.000 e 4.000 vezes.

A obtenção das imagens foi feita em diferentes regiões que poderiam fornecer informações que

ajudassem na interpretação da amostra.

Já as análises de espectrometria de energia dispersiva de raios-x (EDS) foi realizada no

equipamento da Oxford Instruments, modelo SwiftED3000.

4.4 APLICAÇÃO COMO BIOSENSOR

A fim de investigar a capacidade dos filmes de atuarem como biosensor para as

moléculas de ácido ascórbico (AA) e cisteína foram realizados experimentos de voltametria

cíclica em soluções dessas substâncias, cuja concentração variou entre os teores mínimos e

máximos encontrados no plasma sanguíneo (8, 15, 20, 25 e 30 mmol/L) para o AA e, para a

cisteína, foram feitas em soluções 0,01 e 0,1 M, ambos os reagentes são da marca VETEC. Tais

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soluções foram preparadas utilizando-se como solvente uma solução salina de KCl 0,1 mol/L, e a

cela eletroquímica foi composta pelo eletrodo de prata/cloreto de prata (eletrodo de referência),

eletrodo de platina (contra-eletrodo) e cada um dos filmes automontados atuando como eletrodo

de trabalho. Os voltamogramas foram obtidos usando um potenciostato/galvanostato AUTOLAB

AUT 85282, sendo operado em sala climatizada à temperatura de 17 °C.

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Resultados e discussão

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69

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1. PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA QUITOSANA

A quitosana é um polieletrólito catiônico e com baixa solubilidade em água. Sua

solubilização ocorre em meio ácido em decorrência da protonação dos grupos aminos (-NH2)

livres presentes na sua estrutura, por isso é comum encontrar na literatura o ácido acético como

solvente. Assim nas etapas de purificação este foi o solvente utilizado para solubilização dos

mesmos, independente da metodologia de purificação.

Com relação ao estabelecimento de correlações entre as estruturas e as propriedades

observadas em polieletrólitos é extremamente importante que o polissacarídeo seja purificado

de forma a conter apenas um contra-ion presente. Assim, seu comportamento em relação a

determinados parâmetros como acidez e força iônica, por exemplo, podem ser melhor

estudados e compreendidos. Tendo em mente este fato, foram utilizadas três metodologias de

purificação, conforme descritos no item 4.1.1. Assim, para assegurar que apenas um contra íon

estava presente após o processo de purificação, foi adicionado um excesso de sal em relação a

quantidade de sítios iônicos do polieletrólitos e durante a etapa de precititação, esse excesso foi

eliminado pela extensiva lavagem do precipitado em água. Já a quitosana purificada na forma

neutra foi obtida através de uma simples dissolução e precipitação em meio básico.

Os valores de rendimentos obtidos na purificação da quitosana foram 82,5% ± 0,54,

64,1% ± 0,25 e 85,6% ± 0,22 para as amostras na forma neutra, acetato e cloridrato,

respectivamente. Esses valores de rendimento devem-se à perda por manipulação e,

principalmente, à presença de materiais insolúveis e agregados presentes na quitosana e que

foram eliminados durante as etapas de filtração, além de resíduos com grau de acetilação

superior a 60% e/ou massas molares elevadas. A presença de materiais insolúveis em produtos

comerciais é relatada na literatura (OTTOY et al., 1996). Segundo Goy, Assis e Campana Filho

(2004) o processo de purificação disponibiliza mais grupos polares, o que aumenta a

capacidade de interação com outros compostos. As diferenças nas metodologias de purificação

também resultaram em materiais com aspectos visuais distintos, apresentados na Figura 15.

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Figura 15 - Aspecto das amostras de quitosana purificadas nas formas: neutra (a), acetato (b) e

cloridrato (c).

(a) (b) (c)

Todas as amostras purificadas apresentaram-se bastante solúveis em ácido acético

diluído, e o polissacarídeo purificado nas formas de acetato e cloridrato foram parcialmente

solúveis em água. A solubilidade partical das quitosanas purificadas nas formas salinas em

água é relatado na literatura, entretanto essa solubilidade não é maior devido a presença de

resíduos de grupamento acetil no polissacarídeo. A Figura 16 apresenta a proposta das estuturas

da quitosana nas suas diferentes formas.

Figura 16 - Proposta de estrutura das quitosanas purificadas nas formas: neutra (a), acetato (b) e

cloridrato (c).

(a) (b)

(c)

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O número de grupos aminos presentes na cadeia polimérica da quitosana é um parâmetro

importante e está relacionado com grau de desacetilação (GD), que por sua vez exerce influência

sobre propriedades como hidrofobia, capacidade de reticulação na presença de determinados

agentes de entrecruzamento, solubilidade e viscosidade de suas soluções (GONSALVES et al.,

2011). Existem várias técnicas para a determinação do GD, uma das técnicas mais simples e

amplamente utilizada é a titulação condutométrica.

A Figura 17 apresenta as curvas condutométricas obtidas na titulação das amostras de

quitosana purificadas nas formas: neutra, acetato e cloridrato. De acordo com a figura, a primeira

reta da curva corresponde à neutralização do HCl em excesso, solvente utilizado para

solubilização das amostras, o segundo, à neutralização do grupo amino presente na quitosana e o

terceiro corresponde aos íons OH- em excesso presentes na solução, após o ponto de

equivalência. Essas três retas originam, por extrapolação, dois pontos de inflexão que

correspondem ao volume de base necessário para neutralizar os grupos amino protonados.

Figura 17 - Curvas condutométricas das amostras de quitosana neutra ( ), acetato ( ) e

cloridrato ( ) solubilizadas em HCl 0,05 mol/L para determinação do grau de desacetilação.

0 5 10 15 20

4

8

12

16

20

24

28

Co

nd

utâ

ncia

/mS

Volume de NaOH 0,189 mol/L (mL)

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O número de grupos amino da cadeia polimérica foi calculado empregando-se a seguinte

Equação (SANTOS, CIRILO E NUNES, 2011):

%GD = 161. [base].(V2-V1).100 (3)

M

onde: 161 é a massa equivalente a um monômero de quitosana; [base] é a concentração de NaOH

utilizado; V1 é volume de base consumido para a neutralização de HCl em excesso, expresso em

mL; V2 é o volume de NaOH correspondente à neutralização dos grupos amino presentes no

polímero, expresso em mL; e, m é a massa de quitosana utilizada na determinação, expresso em

mg. Os dados obtidos para as diferentes amostras de quitosana são mostrados na Tabela 6.

Tabela 6 - Valores relativos ao Grau de Desacetilação (GD) da quitosana.

Amostra %GD

QtNeutra 68,47 ± 2,17

QtAcetato 68,64 ± 4,58

QtCloridrato 60,83 ± 4,40

A viscosimetria é um dos processos mais utilizados para a determinação da massa molar

de polímeros. As medidas foram feitas com base no tempo de escoamento do solvente e das

soluções diluídas do polímero, utilizando-se um viscosímetro. A Figura 18 mostra as curvas de

viscosidade específica (esp) versus a concentração das soluções de quitosana. Vale salientar que

todas as medidas foram realizadas em triplicata e a média destes valores foi usada para a

construção do gráfico e na determinação dos valores de viscosidade intrínseca.

Pode-se observar que, para todas as amostras, obteve-se um bom índice de correlação

entre as medidas experimentais com R > 0,99 e que a metodologia utilizada na purificação da

quitosana afeta diretamente a viscosidade do polissacarídeo, indicando diferenças em suas

propriedades.

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73

Figura 18 - Curva de viscosidade específica versus concentração da QtNeutra ( ), QtAcetato ( ) e

QtCloridrato ( ), em tampão ácido acético/acetato a 25 °C ± 0,1.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

0

50

100

150

200

250

300

350

400

R = 0,99739

R = 0,99778

R = 0,99943

V

iscosid

ad

e e

sp

ecíf

ica

(m

L/g

)

Concentração (x10-3 g/mL)

Para determinação da massa molar viscosimétrica fez-se uso da equação de Mark-

Houwink (4).

[] = K x Mvα

(4)

onde [] é a viscosidade intrínseca da solução, K é uma constante característica do polímero e

depende da temperatura e do solvente, α é a constante característica da interação

polímero/solvente e Mv é a massa molar viscosimétrica. Os valores da constante de Huggins (K)

e α utilizados foram, respectivamente, 76,0 x 10-3

(mL/g) e 0,76 (CANELLA E GARCIA, 2001).

A tabela abaixo apresenta os valores de viscosidade intrínseca e massa molar

viscosimétrica para todas as amostras estudadas.

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Tabela 7 - Dados da viscosidade intrínseca () e massa molar viscosimétrica (Mv) para

as amostras purificadas de quitosana comparados com dados da literatura.

Amostra (mL/g) Mv (x 104 g/mol) Mv (x 10

4 g/mol) Literatura*

QtNeutra 273,72 ± 3,80 4,79 ± 0,094 16,7

QtAcetato 136,18 ± 19,47 1,14 ± 0,009 17,2

QtCloridrato 44,72 ± 19,43 0,454 ± 0,002 16,1

*(SIGNINI E CAMPANA-FILHO, 2001).

Os espectros na região do Infravermelho para as amostras de quitosana purificadas são

mostrados na Figura 19, onde se observa bastante semelhança entre os espectros obtidos para as

três metodologias de purificação.

Figura 19 - Espectros vibracionais na região do infravermelho das amostras de QtNeutra (___

),

QtAcetato (___

) e QtCloridrato (___

) em pastilha de KBr.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

20

40

60

80

100

120

%T

Número de onda (cm-1)

Independente do tipo de purificação utilizada as bandas observadas são semelhantes

aquelas descritas na literatura (BRUGNEROTTO et al., 2001; SANTOS et al., 2003). É possível

observar uma banda bem larga característica do estiramento axial de OH em 3502-3450 cm-1

.

Page 77: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and RubpyNO). Analysis of the degree

75

Na Figura 20 é possível observar algumas bandas importantes no espectro de

infravermelho na região entre 1400 a 1700 cm-1

, como a carbonila entre 1664 - 1643 cm-1

(C=O-

NHR) e amida (NH2), como também a presença de grupos amina protonados (NH3+).

Segundo Lee (2001), a presença de grupos amina protonados é observada na região

próxima de 1520 cm-1

.

Figura 20 - Espectros vibracionais na região do infravermelho das amostras de QtNeutra (___

),

QtAcetato (___

) e QtCloridrato (___

) em pastilha de KBr na região de 2000 a 500 cm-1

.

2000 1500 1000 500

0

20

40

60

80

100

1201

55

51

56

6 1318

QtNeutra (preta), QtAcetato (vermelha) e QtCloridrato (Verde)

14

58

1414

1379

15

26

16

45

%T

Número de onda (cm-1)

As deformações axiais C-N das amidas é observadas em 1423-1321 cm-1

. As principais

bandas observadas no espectro estão identificadas na Tabela 8.

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76

Tabela 8 - Atribuições das bandas de infravermelho para as amostras de quitosana purificadas (δ

= deformação; ν = estiramento).

Amostra

ATRIBUIÇÕES DAS BANDAS IV (cm-1

)

C=O

(amida I)

N-H

(amida II)

C-N

(amida III) CH COC β-(1-4) CO OH C-H

QtNeutra 1664 1556 1381 1423 1156 1078 3467 2878

QtAcetato 1658 1566 1321 1415 1157 1074 3471 2879

QtCloridrato 1643 1525 1381 1323 1155 1082 3502 2885

Ref.* 1655 1600 1423 - 1153 1031 3450 2904

*(SIGNINI E CAMPANA-FILHO, 2001)

O estudo sobre a estabilidade térmica foi realizado a fim de se determinar o teor de

umidade, cinzas e avaliar a influência da metodologia de purificação na estabilidade térmica.

De acordo com a literatura, o primeiro evento de decomposição térmica de uma amostra

de quitosana, ocorre em torno de 100 °C e refere-se à perda de água da mesma (água de

hidratação). Segundo Neto e colaboradores (2005) a mais importante região de perda de massa

para quitosana ocorre entre 200 – 400 °C e está relacionado à decomposição do biopolímero pela

quebra das cadeias glicosídicas. Assim, através do decréscimo da massa nesse evento (calculado

pelo próprio equipamento) provocado pelo aumento da temperatura, pode-se determinar o teor de

umidade do material. Já o teor de cinzas (massa residual), pode ser calculado pela subtração das

perdas de massa principal e de água de hidratação, em relação à massa total da amostra utilizada

na análise.

As perdas de massa para as amostras de quitosana em suas diferentes formas purificadas

são mostradas na Figura 21, onde a primeira perda de massa das amostras refere-se à perda de

umidade do material. A segunda perda de massa tem início em torno de 150 °C e está associada à

quebra das ligações do polímero, gerando uma perda de massa de 52,20 % para a amostra de

quitosana neutra, 57,78 %, para a quitosana purificada na forma de acetato e 46,65 %, para a

forma de cloridrato. Observando os gráficos da derivada da curva termogravimétrica (DTG) de

cada uma das amostras, é possível identificar a temperatura onde ocorre o máximo de

degradação do material. Para as amostras de QtNeutra, QtAcetato e QtCloridrato, os percentuais de perda

de massa são respectivamente associados a picos de temperatura de degradação de 273,8 °C,

260,3 °C e 185,6 °C, respectivamente. Uma vez que a forma neutra da quitosana requer maior

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77

temperatura para promover a degradação do material, podemos inferir que este biopolímero

apresenta maior estabilidade térmica em relação aos demais.

Ainda segundo Neto e colaboradores (2005), as perdas de massa que ocorrem a partir de

500 °C são relacionadas ao teor de cinzas das amostras, para o nosso trabalho os valores foram

de 35,19 %, 28,73 % e 36,51 %, para as quitosanas neutra, acetato e cloridrato, respectivamente.

Figura 21 – Analise termogravimétrica da Quitosana purificada nas formas neutra (a), acetato

(b) e cloridrato (c) (___

) e suas respectivas derivadas (- - - -).

0 200 400 600 800

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

TG

(%

mg

)

Temperatura (°C)

(a)

35 °C

273,8 °C

DT

G (

%/°

C)

Page 80: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and RubpyNO). Analysis of the degree

78

0 200 400 600 800

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

TG

(%

mg

)

Temperatura (°C)

(b)

35,4 °C260,3 °C

DT

G (

%/°

C)

0 200 400 600 800 1000

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

TG

(%

mg

)

Temperatura (°C)

(C)

35,8 °C

185,6 °C

DT

G (

%/°

C)

O teor de umidade para as amostras de quitosana purificadas nas três metodologias

foram inferiores ao observado na literatura (23,8% + 0,4) (SIGNINI & CAMPANA FILHO,

2001) para mesma metodologia de purificação. A diferença pode está relacionada à etapa de

secagem, no caso da literatura foi realizada à temperatura ambiente, enquanto que neste trabalho,

o processo de secagem foi utilizado um leve aquecimento (com máximo de 90 °C).

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79

Os elevados teores de cinzas observados podem estar relacionados à presença do sal que

foi adicionado durante os processos de purificação da quitosana e que continuou presente,

mesmo após o processo de dissolução e precipitação.

Ao analisar as propriedades da quitosana obtida após os três processos de purificação

(Tabela 9), pode-se concluir que em função da metodologia empregada, obtêm-se materiais com

características e propriedades distintas.

Tabela 9 - Propriedades das quitosanas em suas diferentes formas purificadas.

Amostra %GD (mL/g) Mv (g/mol) Teor de

umidade (%)

Teor de

cinzas (%)

Temperatura de

decomposição (oC)

QtNeutra 68,47 ± 2,17 273,72 ± 3,80 4,79 ± 0,094 12,16 35,19 273,8

QtAcetato 68,64 ± 4,58 136,18 ± 19,47 1,14 ± 0,009 13,49 28,73 260,3

QtCloridrato 60,83 ± 4,40 44,72 ± 19,43 0,454 ± 0,002 16,84 36,51 185,6

Das três metodologias, a quitosana purificada na forma de cloridrato foi a que

apresentou menores valores de viscosidade, massa molar e temperatura de decomposição.

Entretanto apresenta um maior teor de umidade, cinzas e parcialmente solúvel em água. Segundo

Signini e Campana Filho (2001) a presença de cargas em quitosana purificada na forma de

cloridrato deve alterar as interações inter e intracadeia, conferindo maior hidrofilicidade e, por

consequência, maior solubilidade em água quando comparada a quitosana purificada na forma

neutra. Já para a quitosana purificada na forma acetato, o tamanho do contra íon parece

influenciar nas suas características.

5.2 CARACTERIZAÇÃO DOS COMPLEXOS

O espectro eletrônico em metanol dos complexos NPS e RubpyNO, é apresentado na

Figura 22.

A utilização de solventes diferentes dos que foram utilizados na literatura (geralmente

água) e as baixas absortividades dos picos de absorção podem provocar um deslocamento para

comprimentos de onda menores para cada uma dessas transições, em relação aos apresentados na

literatura. A medida da absorbância de soluções concentradas é um artifício utilizado para

verificar a existência de bandas em regiões do espectro onde, inicialmente não se observa

Page 82: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and RubpyNO). Analysis of the degree

80

nenhum indicativo de bandas de transição. Este é o caso do NPS, uma vez que a banda relativa à

transição dxy → π*NO é de baixa intensidade, foi necessário realizar uma concentração extrema

da solução desse complexo, de forma que a banda se tornasse visível. Assim, essa transição que

geralmente ocorre na literatura em torno de 480 nm, sofreu um deslocamento para a região de

comprimento de onda em torno de 540 nm. As demais atribuições das bandas identificadas nos

espectros eletrônicos dos complexos estão apresentadas na Tabela 10.

Figura 22 - (a) Espectro eletrônico dos complexos NPS (___

) e RubpyNO (___

) obtidos em

metanol; (b) Destaque das bandas de absorção na região entre 300 e 600 nm do espectro

eletrônico do NPS

200 300 400 500 600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

403 nm317 nm

282 nm

248 nm

202 nm

270 nm

208 nm

Ab

so

rbâ

ncia

(u

. a

.)

Comprimento de onda (nm)

(a)

A baixa concentração e absortividade da solução do complexo RubpyNO utilizada,

também deve explicar os deslocamentos para regiões de menor comprimento de onda verificados

para esse composto, cujas transições associadas também encontram-se especificadas na tabela a

seguir. Ainda para o RubpyNO, a banda em 202 nm não foi atribuída à transição eletrônica do

complexo, pois esta região de absorção é comum para diversas substâncias. Quanto à banda em

248 nm, apesar de não estar discutida na literatura, está relacionada à bandas intraligantes da

300 350 400 450 500 550 600 650

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

540 nm

335 nm

399 nm

Absorb

ância

(u.

a.)

Comprimento de onda (nm)

(b)

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81

bipiridina. Já banda observada em 403 nm é atribuída à transição dπRuII

→ π*(bpy), pois as

bandas relacionadas às transições com o NO+ apresentam baixa absortividade molar, podendo ser

encobertas pela transição MLCT da bipiridina.

Tabela 10 - Atribuições das bandas de Uv-Vis presente nos complexos.

NPS RubpyNO

Comprimento de onda

(nm) Atribuição

Comprimento de onda

(nm) Atribuição

Observado Lit* Observado Lit.**

208 200 dxy → π*CN 202 Nd

270 264 dxz, dyz → dz2 248 Nd π → π*(bpy)

335 330 dxy → dx2

-y2 282 296 π → π*(bpy)

399 394 dxz, dyz → π*NO 317 325 dπRuII

→ π*(bpy)

540 480 dxy → π*NO 403 ≈420 dπRuII

→ π*(bpy)

Fonte: *(SWINEHART, 1967); **(SILVA et al., 2006); Nd = Não discute.

Os espectros de infravermelho dos complexos são apresentados na Figura 23. A

caracterização do estado de oxidação do NO coordenado apenas em função da sua banda de

estiramento é difícil, devido à grande superposição que pode ocorrer entre as regiões do

estiramento da ligação do NO coordenado em seus diferentes estados de oxidação, embora

freqüências acima de 1900 cm-1

sejam indicadoras da forma NO+ (NAKAMOTO, 1978). Para os

complexos NPS e RubpyNO analisados são observados picos em 1942 cm-1

e 1945 cm-1

,

confirmando que as duas espécies contém a espécie NO+ ligado ao metal.

Para o complexo NPS, a região entre 2040 e 2180 cm-1

são associados às vibrações de

estiramento do ligante cianeto. Uma ampliação do espectro nessa faixa de número de onda foi

realizada a fim de poder visualizar melhor cada um dos picos, pois, as vibrações a elas

associadas, compreendem picos estreitos ou de baixa intensidade. Assim, foi possível identificar

as bandas de estiramento axial –CN (2173 cm-1

) e estiramento equatorial –CN (2161, 2158 e

2144 cm-1

). Apesar das bandas em 2109 e 2097 cm-1

também estarem relacionadas ao ligante

cianeto não são consideradas como bandas características do NPS uma vez que já foi discutido

na literatura que elas seriam dependentes da temperatura em que o equipamento seja operado

(KHANNA, BROWN E JONES, 1969). Outra banda característica deste complexo é o

estiramento NO observado em 1942 cm-1

. A literatura (SWINEHART, 1967; PALIANI,

POLETTI E SANTUCCI, 1970; RUCKI, 1977; CHACÓN VILLALBA, VARETTI, E

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82

AYMONINO, 1999) associa os picos da região deformação abaixo de 700 cm-1

principalmente

às tensões de deformação e estiramento sofridas pelo ligante cianeto e átomo de carbono ligados

ao metal. Assim, tem-se que a deformação Fe–C≡N está associada aos picos localizados em 495

e 423 cm-1

e estiramento Fe–C em 466 cm-1

. No entanto, nessa região também se encontra

deformação linear Fe–N→O (número de onda = 661 cm-1

). As bandas de estiramento assimétrico

e simétrico de OH em 3636 e 3547 cm-1

, respectivamente, e de deformação de OH (em 1618 cm-

1) são observadas devido ao complexo apresentar-se na forma di-hidratada.

Figura 23 - Espectro de absorção na região do infravermelho obtido em pastilha KBr para (a)

NPS e RubpyNO (b)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

20

40

60

80

100

42

34

6649

5

66

1

16

18

19

42

21

73

35

47

36

26

21

44

Tra

nsm

itâ

ncia

(%

)

N° de onda (cm-1)

(a)

21

10

21

60

21

56

21

73

20

98

Page 85: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and RubpyNO). Analysis of the degree

83

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

20

40

60

80

100

763

550

842

14521607

1945

3140

3409

Tra

nsm

itâ

ncia

(%

)

N° de onda (cm-1)

(b)

Quanto ao RubpyNO, complexos bipiridínicos de rutênio-nitrosil apresentam νNO+

variando entre 1800 - 2000 cm-1

e as intensidades de pico variam de médias a fortes. Apesar de

poder sofrer influência de fatores estruturais como, por exemplo, a tensão dos anéis, o efeito de

retrodoação envolvendo os orbitais dπ(Ru) → π*(NO+) apresenta maior efeito no deslocamento

para regiões de menor número de onda desses compostos.

O espectro vibracional na região do infravermelho desse complexo, apresentado na

Figura 23b, confirmaram os dados disponíveis na literatura para identificação desse composto.

Nele observamos as bandas de estiramento e deformação CH da bipiridina em 3140 e 763 cm-1

,

respectivamente; Os demais ligantes podem ser identificados pelos picos observados em 1945

cm-1

(estiramento do NO), 1452 cm-1

(estiramento do CN) e em 842 e 550 cm-1

(tem-se os picos

relacionados às vibrações do íon PF6). Da mesma forma que o complexo anterior, as vibrações

de estiramento assimétrico do OH da água (3409 cm-1

) e deformação OH da água (1607 cm-1

)

observadas no espectro estão relacionados ao fato do RupbyNO apresentar-se hidratado ou

devido à umidade presente no KBr.

Antes de ser iniciada a caracterização eletroquímica dos filmes obtidos pela técnica da

automontagem, foi realizada a voltametria cíclica (VC) do ferricianeto de potássio (Figura 24) a

uma taxa de varredura de 50 mV.s-1

. Devido o par Fe3+

/Fe2+

ser um sistema eletroquímico padrão

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84

na literatura (com um pico de redução e um de oxidação bem definido), é considerado modelo

para os experimentos de VC por ser um sistema reversível, apresentando nos dois sentidos

(direto e inverso) o pico anódico e catódico, cujos valores de referência são 0,266 e 0,168 V,

respectivamente. Uma vez que os dados obtidos foram consistentes com as referências

encontradas na literatura, é possível garantir a confiabilidade da medida realizada pelo

equipamento.

Figura 24 – Voltamograma cíclico da solução de ferricianeto de potássio 0,1 mol/L obtido em

solução de KCl 0,1 mol/L, pH = 6,7 e eletrodo de referência de Ag/AgCl.

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

-1000

-500

0

500

1000

0,07 V

0, 28 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

Os compostos de coordenação foram analisados eletroquimicamente a fim de identificar

os potenciais relacionados aos picos de oxidação e redução.

O VC obtido em meio salino para o NPS 77,2 mmol/L em pH 6,8 e velocidade de

varredura de 50 mV.s-1

é mostrado na Figura 25a. Como observado, na faixa de potencial

estudado, o voltamograma apresenta um pico catódico em -0,72 V e um pico anódico em -0,11

V, referentes ao processo redox do ferro, levando ao pentacoordenado [Fe(CN)4(NO)]2-

, a qual é

a espécie libertadora do NO. Através do voltamograma e da razão entre os picos catódicos e

anódicos (ipc/ipa) = 0,37, Tabela 11, observa-se uma não reversibilidade do processo. Tais

potencais apresentam-se um pouco deslocados em relação ao que se encontra na literatura, Isso

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85

pode ser ocasionado devido este esperimento ter sido realizado com a retirada de oxigênio da

amostra, o que não foi realizado nas análises desse trabalho (CARAPUCA, SIMÃO E FOGG,

1996).

Tabela 11 - Dados eletroquímicos dos complexos NPS e RubpyNO.

Epa (V) Epc (V) ∆Ep (V) ipc/ipa

NPS -0,72 -0,11 0,61 0,37

RubpyNO 0,20 0,27 0,07 0,86

Para o complexo RubpyNO, o VC apresentou um caráter reversível, como pode ser

observado na Tabela 11, caracterizado em potenciais positivos em velocidade de varredura de 50

mV.s-1

. A varredura para o complexo apresentou picos de redução e oxidação iguais a 0,20 e

0,27 V, respectivamente, num processo redox que envolve um elétron e que pode ser atribuído

ao processo de redução do NO+/NO

0 ligado ao metal (SILVA et al., 2006).

Figura 25 - Voltamogramas cíclicos dos complexos (a) NPS e (b) RubpyNO, obtido em solução

de KCl 0,1 mol/L utilizando o eletrodo de carbono vítreo como eletrodo de trabalho.

1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

-0,11 V

-0,72 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(a)

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86

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6

-4

-2

0

2

4

6

8

0,27 V

0,20 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(b)

Após o processo de caracterização da quitosana nas suas três formas de purificação e

dos complexos (NPS e RubpyNO), iniciou-se a etapa de caracterização dos filmes produzidos

pela técnica de automontagem com estes materiais que será apresentado a seguir.

5.3 CARACTERIZAÇÃO DOS FILMES AUTOMONTADOS

A deposição das camadas dos materiais foi investigada pelo monitoramento do aumento

da absorbância dos filmes após a deposição de cada bicamada na região do comprimento de onda

de 200 a 1100 nm. Este procedimento permite avaliar se os materiais são depositados em

quantidades semelhantes a cada bicamada formada.

A Figura 26 mostra os espectros de Uv-Vis obtidos através de monitoramento do

crescimento dos filmes automontados de QtNeutra/NPS e QtNeutra/RubpyNO, suportados em placa

de quartzo. Os espectros eletrônicos obtidos para QtAcetato/NPS e QtCloridrato/NPS exibem

comportamentos semelhantes a QtNeutra/NPS. O mesmo acontece com os filmes de

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87

QtAcetato/RubpyNO e QtCloridrato/RubpyNO, semelhantes a QtNeutra/RubpyNO. Por isso optou-se

por apresentar apenas os gráficos de crescimento dos filmes QtNeutra/NPS e QtNeutra/RubpyNO.

Os espectros mostram uma banda de absorção em 270 nm e 293 nm, correspondentes à

transição eletrônica característica do NPS e RubpyNO, respectivamente, uma vez que a

quitosana não absorve nessa região. O espectro de Uv-Vis observado é característico dos

complexos de origem, com pequenas alterações resultantes da interação do grupamento amino da

quitosana com os complexos.

Figura 26 - Acompanhamento do crescimento do filme de QtNeutra com NPS (a) e RubpyNO (b),

ambos com 20 bicamadas (bcm).

250 300 350 400 450 500

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

270 nm

Ab

so

rbâ

ncia

(u

. a

.)

Comprimento de onda (nm)

19

17

15

13

11

9

7

5

3

1

250 300 350 400 450 500

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

293 nm

Ab

so

rbâ

ncia

(u

. a

.)

Comprimento de onda (nm)

19

17

15

13

11

9

7

5

3

1

(a) (b)

Pode-se perceber que a absorbância das bandas monitoradas aumenta com o número de

bicamadas. A fim de verificar se esse incremento ocorria de forma linear foi plotado o gráfico de

absorbância versus o número de bicamadas, Figura 27. Através deste gráfico pode-se perceber

que o crescimento dos filmes ocorre de forma linear, ou seja, a quantidade de complexo

adsorvido nos filmes é a mesma a cada bicamada depositada para os filmes: QtNeutra/NPS;

QtNeutra/RubpyNO; QtAcetato/NPS e Qtacetato/RubpyNO (ZUCOLOTTO et al., 2003, 2006). Já para

os filmes de quitosana purificada na forma de cloridrato percebe-se um comportamento não

linear, com menores valores dos índices de correlação, como se pode observar na Figura 27b e

Tabela 12, por este motivo, esses filmes foram formados até o número de 8 bicamadas somente.

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88

Figura 27 – Acompanhamento do crescimento dos filmes de QtNeutra/NPS

( ),QtAcetato/NPS ( ) e QtCloridrato/NPS ( ) a 270 nm (a) e dos filmes de QtNeutra/RubpyNO

( ),QtAcetato/RubpyNO ( ) e QtCloridrato/RubpyNO ( ) a 293 nm (b).

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

R = 0,99816

R = 0,94249Ab

so

rbâ

ncia

/u.a

.

N° de bicamadas

(a)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

R = 0,98333

R = 0,98811

Ab

so

rbâ

ncia

/u.a

.

N° de bicamadas

(b)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

R = 0,86477

Absorb

ância

/u.a

.

N° de bicamadas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

R = 0,92797

Absorb

ância

/u.a

.

N° de bicamadas

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89

Picart e colaboradores (2002) afirmam que o crescimento de filmes pode ocorrer

linearmente ou exponencialmente, esse comportamento vai depender da capacidade de pelo

menos um dos eletrólitos utilizados, difundir-se entre as diversas camadas do filme, ou seja,

migrar das camadas mais internas até as mais externas. Estudos sobre a formação de filmes

utilizando a goma do cajueiro/PAH/ ftalocianinas de ferro também mostraram um crescimento

exponencial, enquanto os filmes formados com a goma do cajueiro/PAH/ftalocianinas de níquel

apresentaram um crescimento linear (ARAÚJO et al., 2002). Esse comportamento de

crescimento exponencial foi observado para QtNeutra/NPS e QtAcetato/RubpyNO.

As inclinações obtidas na Figura 27 podem estar relacionadas a diferenças nas

afinidades entre as espécies envolvidas na formação das camadas. Quanto maior a inclinação,

maior a interação entre as substâncias no filme formado (EIRAS et al., 2007). Assim, conforme

os dados apresentados na Tabela 12, percebe-se que o filme formado pelo complexo

QtAcetato/RubpyNO é o que apresenta maior interação, seguido do QtAcetato/NPS. Assim, o método

de purificação da quitosana que teoricamente poderia gerar uma maior interação eletrostática foi

a que apresentou piores resultados, tanto para o crescimento dos filmes (aleatório) quanto para

interação, descaracterizando a forma cloridrato como bom policátion para a formação deste tipo

de filme automontado.

Tabela 12 - Dados da inclinação e índices de correlação dos filmes de quitosana neutra, acetato e

cloridrato com complexos nitrosil.

Filme Inclinação Índice de correlação

QtAcetato/NPS 0,04042 0,99816

QtAcetato/RubpyNO 0,00744 0,98333

QtNeutra/NPS -7,46x10-4

0,94249

QtNeutra/RubpyNO 0,01051 0,99811

QtCloridrato/NPS 0,00974 0,92797

QtCloridrato/RubpyNO 0,00131 0,86477

A incorporação dos complexos aos filmes automontados de quitosana também foi

monitorada pela técnica de Espectroscopia na região do infravermelho. Assim, a Figura 28

mostra os espectros obtidos para os filmes com 20 bicamadas, pode-se perceber a sobreposição

de algumas bandas presentes nos complexos e na quitosana.

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90

Figura 28 - Espectros de IV dos filmes de QtNeutra/NPS (___

) e QtNeutra/RubpyNO (___

)

depositados em placa de quartzo.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

60

70

80

90

100

110

13

42

15

56

1

55

6

19

31

1

93

0

48

2

11

22

11

22

22

04

2

14

1

28

87

29

24

34

06

33

94

%T

Número de onda (cm-1)

(a)

Os espectros para os filmes automontados apresentaram deslocamentos, de forma geral,

para regiões de número de onda mais baixo, provavelmente ocasionado pela interação entre os

materiais. Esses deslocamentos variaram tanto em função do tipo de purificação quanto do

complexo utilizado. A Tabela 13 apresenta os deslocamentos de algumas bandas características

das quitosanas e dos complexos. A banda de N-H (característica da quitosana) sofreu

deslocamentos da ordem +10 e +100 cm-1

para os filmes de quitosana neutra e acetato,

respectivamente, com ambos os complexos. Estes dados contribuem no sentido de afirmar que

ocorre uma interação entre a quitosana e os complexos na formação das camadas.

Tabela 13 - Atribuições das bandas observadas no espectro de IV dos filmes de quitosana com

os complexos nitrosil depositados sobre lâmina de quartzo.

Filmes

Atribuição (cm-1

)

OH

C-H

C≡N

δN-H COC β-(1-4)

NO+ Ru-bpy δFe-C≡N

QtNeutra/NPS 3394 2924 2141 1566 1122 1931 - 482

QtNeutra/RubpyNO 3406 2887 2204 1566 1122 1930 483 -

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91

Os filmes também foram submetidos a análises termogravimétricas, com o objetivo de

avaliar sua estabilidade térmica. A Figura 29 apresenta os termogramas obtidos para os filmes de

QtNeutra e QtAcetato com os complexos nitrosil. Os filmes com QtCloridrato não foram analisados pois,

por não não apresentarem boa interação com os complexos, comprovando pelo crescimento

aleatório dos filmes por Uv-Vis.

A primeira perda de massa (Tinicial a partir de 29 °C) está associado com a perda de água

e material volátil presente no filme. Neste aspecto, o filme de QtNeutra/RubpyNO apresentou

maior umidade, em relação à quitosana de origem. A segunda perda de massa, corresponde à

degradação da quitosana: decomposição de unidades amino, despolimerização e a decomposição

pirolítica do polissacarídeo (MARTINEZ-CAMACHO et al., 2010; MARTINS, CERQUEIRA E

VICENTE, 2012). Osiri e colaboradores (2015) relatam que, durante a decomposição térmica de

cianetos de metais de transição, a perda de massa que ocorre a temperaturas próximas a 190 °C

estão associadas à degradação das moléculas dos ligantes nitrosil e cianeto. Podemos concluir

que nos filmes de QtNeutra e QtAcetato com NPS as perdas de massa observadas a temperatuda de

174 e 181 °C, correspondem a saída desses ligantes e que a degradação da quitosana ocorre

somente a temperaturas de maiores que 259 0C (Tabela 14) . É possível comparar as perdas de

massa e temperatura de decomposição para todos os filmes de Qt e complexos na Tabela 15.

Tabela 14 – Temperatura de degradação dos filmes de quitosanas purificadas com complexo e

suas respectivas perdas de massa.

QtNeutra/NPS QtNeutra/RubpyNO QtAcetato/NPS QtAcetato/RubpyNO

Temperatura

de pico (°C)

Perda de

massa (%)

Temperatura

de pico (°C)

Perda de

massa (%)

Temperatura

de pico (°C)

Perda de

massa (%)

Temperatura

de pico (°C)

Perda de

massa (%)

37,6 13,94 62 75,14 32 16,92 37 14,61

174 4,666 268 15,32 181 5,396 243 34,93

259 46,69 267 39,26 440,6 16,92

886 8,596 821 16,99

Percebe-se que a estabilidade térmica da quitosana foi diminuída com a incorporação dos

complexos. Comparando entre uma mesma metodologia de purificação e diferentes complexos,

observa-se que incorporação do NPS diminui ainda mais a estabilidade da quitosana, conforme

explicado anteriormente.

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92

Figura 29 – Curvas termogravimétricas (___

) e suas respectivas derivadas (- - - -) dos filmes de

QtNeutra/NPS (a), Qtneutra/RubpyNO (b) QtAcetato/NPS (c) e QtAcetato/RubpyNO (d).

0 200 400 600 800 1000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6259 °C

37,6 °C

DT

G (

%m

)

Temperatura (°C)

(a)

886 °C

174 °C DT

G (

%/°

C)

0 200 400 600 800 1000

0

20

40

60

80

100

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

268 °C

62 °C

DT

G (

mg

/°C

)

TG

(%

mg

)

Temperatura (°C)

(b)

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93

0 200 400 600 800 1000

20

40

60

80

100

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

821 °C

267 °C

181 °C DT

G (

%/°

C)

TG

(%

m)

Temperatura (°C)

(c)

32 °C

0 200 400 600 800 1000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

TG

(%m

)

Temperatura (°C)

(d)

440,6 °C

37 °C

243 °C

DT

G(%

/°C

)

Conforme descrito no procedimento experimental, para análise por voltametria cíclica

os filmes foram construídos utilizando como suporte o ITO. Com o objetivo de identificar

qualquer possível interferência neste suporte nos resultados obtidos, foi realizado uma análise

utilizando-o como eletrodo de trabalho e em solução salina ( KCl 0,1 mol/L), cujo voltamograma

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94

é observado na Figura 30, onde se observa somente o processo redox do oxigênio dissolvido em

solução.

Figura 30 – Voltamograma cíclico do ITO em solução salina de KCl 0,1 mol/L, velocidade de

varredura de 50 mV.s-1

.

1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

Antes de iniciar a caracterização eletroquímica dos filmes atomontados, realizou-se

também o estudo eletroquímico da quitosana e dos complexos na forma de filmes depositados

em ITO. A Figura 31 mostra o voltamograma para 1 camada de NPS 77,2 mmol/L. Ocorre uma

pequena diferença nos potenciais do voltamograma quando comparado a análise em solução

devido à diferença de mobilidade das transferências de carga no complexo agora na forma de

filme. Tomando como base essas mudanças em seus potenciais, pode-se avaliar melhor o

comportamento eletroquímico dos filmes automontados.

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95

Figura 31 – Voltamograma cíclico do filme de NPS 77,2 mmol/L (a), do filme de RubpyNO

35,3 mmol/L (b) com 1 bicamada obtido em solução salina de KCl 0,1 mol/L e eletrodo de

trabalho de Ag/AgCl.

1,5 1,0 0,5 0,0

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0,32 V0,50 V

0,63 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(a)

1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(b)

Page 98: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · forms in building self-assembled films by their interaction with nitrosyl complex (SNP and RubpyNO). Analysis of the degree

96

A caracterização eletroquímica foi obtida pela técnica de voltametria cíclica (VC) que

está entre as mais utilizadas na caracterização deste tipo de material, bem como na sua possível

aplicação como biosensor.

Alguns artigos realizam a caracterização eletroquímica dos filmes automontados com

polissacarídeos fazendo uso do HCl como solução eletrolítica. A justificativa está na melhora da

estabilidade dessses filmes automontados (Eiras, 2007). Já em nosso estudos, a utilização do

ácido provocou a solubilização dos filmes, inviabilizando sua utilização. Foram testados várias

soluções eletrolíticas, entretanto o que apresentou melhores resultados foi o KCl 0,1 mol/L.

Filmes com 20 bicamadas e mesma área de substrato foram analisados por voltametria

cíclica em meio salino (KCl 0,1 mol/L; pH = 6,7) com os filmes depositados sobre ITO, como

eletrodo de trabalho, a fim de avaliar a variação da corrente em função da velocidade de

varredura aplicada.

Tomando como base os resultados de monitoramento do crescimento dos filmes pela

técnica de Uv-Vis, somente os filmes com quitosana purificada na forma neutra e acetato foram

utilizados nesta etapa do trabalho.

O filme de QtNeutra/NPS foi analisado para diferentes taxas de varredura pré-determinada

(5, 10, 25, 50, 75 e 100 mV.s-1

) a fim de se determinar as condições ideais para as análises. Pode-

se perceber que à medida que a velocidade de varredura aumenta, há um incremento no valor das

correntes de pico anódica e catódica (Figura 32a) e o valor dos potenciais onde se dá a

transferência eletrônica também varia para as diferentes velocidades de varredura aplicadas

(Figura 32b) e não existe um afastamento significativo dos picos de corrente anódica e catódica.

Obsevou-se também que a 50 mV.s-1

o voltamograma eletroquímico teve maior resolução e os

potenciais puderam ser determinados com maior exatidão, sendo esta velocidade adotada como

referencial para todas as análises a seguir.

O valor do pico catódico do filme automontado sofreu deslocamento de 0,5 V, já o

pico anódico foi para regiões mais negativas quando comparado aos valores observados para o

filme de NPS. Essa alteração nos valores pode ser indicativo da interação entre a quitosana e o

NPS.

Em filmes automontados formados por ITO-quitosana/NiTsPC e ITO-

quitosana/FeTsPc, o mescanismo proposto de transferência de carga que ocorre entre as

interfaces do filme é conhecida como “electron hopping”. Nesses sistemas, o elétrons “saltam”

entre os orbitais presentes no complexo e no polissacerídeo. Essa interligação entre as camadas

ocorre devido a interação que existe entre os grupamentos aminos da quitosana e o grupamento

sulfônico das ftalocianinas (CRESPILHO et al., 2006). Semelhante mecanismo de transferência

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97

de carga deve ocorrer entre os filmes obtidos com quitosana e NPS, uma vez que a interação que

ocorrer entre as camadas é também de natureza eletrostática.

Figura 32 – (a) Análise eletroquímica do filme de QtNeutra/NPS em solução de KCl 0,1 mol/L a

diferentes taxas de varredura: 5 mV.s-1

(___

), 10 mV.s-1

(___

), 25 mV.s-1

(___

), 50 mV.s-1

(___

), 75

mV.s-1

(___

) e 100 mV.s-1

(___

). (b) crescimento do pico de oxidação com a velocidade de

varredura. Dados obtidos em solução eletrolítica de KCl 0,1 mol/L e eletrodo de referência de

Ag/AgCl.

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-0,12 V

0,67 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(a)

A Figura 33 mostra o voltamograma cíclico para os filmes de quitosana neutra e acetato

com os complexos NPS e RubpyNO. Pode-se observar que para o mesmo complexo e quitosana

purificadas de diferentes formas existem diferenças significativas dos potenciais obtidos (Tabela

15).

0 20 40 60 80 100

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

R = 0,9812

i/A

Velocidade de varredura (mV.s-1)

(b)

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98

Figura 33 - Voltamograma cíclico do filme de (a) QtNeutra/NPS, (b) QtAcetato/NPS, (c)

QtNeutra/RubpyNO e (d) QtAcetato/RubpyNO em KCl 0,1 mol/L.

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6

-20

-10

0

10

20 0,67 V

-0,12 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(a)

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

0,19 V

-0,14 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(b)

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99

0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4

-800

-600

-400

-200

0

200

-1,24 V

-0,68 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(c)

1,0 0,5 0,0 -0,5

-40

-30

-20

-10

0

10

-0,17 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(d)

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100

Tabela 15 – Dados eletroquímicos para os filmes de quitosana com os complexos nitrosil e paa o

filme de NPS com 1 bcm em KCl 0,1 mol/L.

Amostra Epa (V) Epc (V) ∆Ep (mV) |ipc/ipa|

QtNeutra/NPS 0,67 -0,12 790 0,97

QtAcetato/NPS -0,14 0,19 330 6,00

QtNeutra/RubpyNO -0,68 -1,24 560 0,17

QtAcetato/RubpyNO -0,17 - - -

NPS (filme) 0,63 0,50 e 0,32 - -

Observa-se um grande aumento na intensidade da corrente para o filme

QtNeutra/RubpyNO, indicando que para esse sistema a quitosana purificada na forma neutra

propricia uma melhor resposta química quando combinado ao complexo RubpyNO.

A QtAcetato/NPS apresenta potencial de pico anódico mais negativo que QtNeutra/NPS,

esse efeito deve ser provocado pelo aumento da carga gerado pela metodologia de purificação,

além da interação eletrostática entre os materiais que formam o filme. Já para o filmes obtidos de

quitosana com RubpyNO o efeito da metodologia de purificação parece ser bem menor. Esse

efeito pode ser explicado através do tipo de interação que existe entre a quitosana e o complexo,

por se tratar de dois materiais carregados positivamente, a interação que deve ocorrer é por

ligações de hidrogênio.

Após a varredura dos potenciais no intervalo de -1,4 a 1,2 V, o filme de

QtAcetato/RubpyNO apresentou resposta oxidativa irreversível, pois, ao efetuar a varreduras em

diferentes velocidades, os potenciais deslocaram-se sempre no sentido anódico (Epa), não sendo

observado o pico correspondente inverso - características essas que configuram um processo

redox com baixa velocidade de transferência de carga quando comparada com a velocidade de

varredura. Os demais filmes apresentaram elevados valores de ∆Ep, se observarmos a relação

desta variação de potencial versus a velocidade de varredura (Figura 34) concluímos que apenas

os filmes de QtNeutra podem ser classificados como semi-reversíveis, pois os valores de potencial

aumentaram com o aumento da velocidade de varredura. Pela inclinação das curvas obtidas no

gráfico, temos que os valores de ∆Ep aumentam de maneira mais pronunciada para o filme de

QtNeutra com NPS do que com o de RubpyNO, essa observação pode inferir que o processo redox

sofrido pelo filme QtNeutra/NPS possui uma velocidade de transferência de carga maior que a do

QtNeutra/RubpyNO, embora esta velocidade não seja tão elevada quando comparada às das

reações reversíveis.

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101

Figura 34 – Relação da variação de potencial versus velocidade de varredura para o filmes de

QtNeutra/NPS ( ), QtNeutra/RubpyNO (

), QtAcetato/NPS (

)

0 20 40 60 80 100

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Epa-E

pc/V

Velocidade de varredura (mV.s-1)

Comparando-se os dados apresentados na Tabela 15 dos filmes de quitosana neutra com

NPS e RubpyNO temos que a forma da interação com os complexos, alteram drasticamente os

potenciais redox originais destes. Deslocamentos de, aproximadamente, 1,2 V (em módulo) são

observados para ambos os filmes porém, enquanto que para o filme com NPS o deslocamento

ocorre para regiões de potencial mais positivo, no filme com o RubpyNO, ocorre exatamente o

contrário, o deslocamento se dá para regiões de potencial negativo. Sabendo-se que, quanto mais

positivo for o valor do potencial de redução de uma espécie, maior a tendência desta para

adquirir elétrons e sofrer redução, podemos dizer que o filme QtNeutra/NPS apresenta uma maior

tendência a sofrer redução que o filme de QtNeutra/RubpyNO. Interpretação análoga não pode ser

realizada para filme de QtAcetato com os complexos. Apesar do filme com o complexo de rutênio-

nitrosil não apresentar pico de oxidação, os potenciais em que ambos os filmes sofrem redução

são bem semelhantes, indicando que este tipo de purificação pouco influencia no potencial redox

desses.

Comparando-se os potenciais dos filmes de QtNeutra/NPS e QtAcetato/NPS também

observa-se deslocamento nos valores dos potenciais, em relação ao do complexo de origem,

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102

principalmente para os potenciais de oxidação. Ambos deslocaram para regiões de potencal mais

positivo por um incremento de potencial de 1,39 V e 0,58 V, em módulo, para a forma neutra e

acetato, respectivamente. Essas observações podem estar fundamentadas no tipo de interação que

as formas purificadas apresentam com os complexos. O fato da quitosana acetato apresentar

contra-íons positivos e o RubpyNO ser um íon de carga também positiva, faz com que suas

interações não sejam bastante efetivas na formação do filme automontado com este complexo,

mas promove deslocamentos ao interagir com o NPS, que possui carga negativa. Já a quitosana

neutra, por não apresentar cargas adicionais aos dos grupos aminos, quando em solução, irá

interagir mais fortemente com o NPS (por ser um contra-íon negativo) do que com o RubpyNO.

A fim de verificar qualquer modificação dos filmes provocada pela análise

eletroquímica foram realizados alguns testes, o primeiro foi a análise das soluções eletrolíticas

após o estudo de VC pela técnica de espectroscopia na região do Uv-Vis e o segundo foi a

análise dos filmes após a VC pela técnica de espectroscopia na região do Infravermelho e análise

térmica.

Figura 35 – Estiramento dos filmes de QtNeutra/NPS (___

), QtNeutra/RubpyNO (___

), QtAcetato/NPS

(___

) e QtAcetato/RubpyNO (___

) em pastilha de KBr após a análise por voltametria cíclica.

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

20

40

60

80

100

1201021-1

079

895-9

00

630-6

39

1315-1

318

1379-1

384

1646-1

656

2959-2

083

2340-2

360

2559-2

563

2681-2

880

3483-3

556

%T

Número de onda (cm-1)

1930

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103

No estudo de Uv-Vis não foi observado picos de absorção relacionados aos complexos,

confirmando que não ocorre migração destes materiais para a solução eletrolítica. Já o estudo de

espectroscopia na região do Infravermelho para os filmes obtidos em KBr é mostrado na Figura

35. O fato dos picos da figura a seguir apresentarem maior intensidade, deve-se ao fato de que a

leitura foi realizada através de pastilha de KBr, o que permite a concentração da amostra, em

relação à leitura realizada diretamente sobre o filme depositado sobre a placa de quartzo. Pode-se

observar que os deslocamentos foram mínimos para todos os modos vibracionais, confirmando

assim a presença tanto da quitosana quanto dos complexos nos filmes após as análises de

voltametria cíclica.

A análise térmica dos filmes automontados de QtNeutra e QtAcetato com NPS são

mostrados na 36, com perfis e temperaturas de decomposição muito semelhantes àqueles

observados antes do experimento de voltametria cíclica.

Figura 36 - Comportamento térmico dos filmes após estes serem submetidos a VC em KCl 0,1

mol/L para QtNeutra/NPS (a) e QtAcetato/NPS (b).

0 200 400 600 800 1000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

887,9 °C

257,8 °C

179 °C

40 °C

TG

(%

m)

Temperatura (°C)

(a)

D

TG

(%

/°C

)

0 200 400 600 800 1000

20

40

60

80

100

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

TG

(%

m)

Temperatura (°C)

(b)

DT

G (

%/°

C)

820 °C

263,1 °C

183,1 °C

31,69 °C

Assim, após a análise destes resultados podemos concluir que durante a eletroquímica

não ocorre migração significativa dos complexos para a solução eletrolítica. Também não é

observado nenhuma alteração dos filmes pela espectroscopia de IV e análise térmica, o que é um

indicativo de uma possível integridade dos filmes após os ensaios de VC. Sugerindo então que os

filmes são estavéis e podem ser reutilizandos.

A microscopia eletrônica (MEV) e a espectroscopia de energia dispersiva (EDS) foram

as técnicas utilizadas na caracterização das superfícies dos filmes automontados. Os resultados

do MEV para os filmes de QtNeutra e QtAcetato com NPS são apresentadas na Figura 37.

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104

Figura 37 - Imagens de MEV dos filmes de QtNeutra/NPS (a) e QtAcetato/NPS (b)

(a) (b)

Esses resultados mostram que os filmes de quitosana apresentam poucas falhas

(macroporos), que podem ter sido provocadas durante o processo de secagem dos filmes, já que

um jato de vapor era direcionado. A segunda etapa de análise morfológica foi realizada por meio

do uso da técnica de EDS, que tem a finalidade de avaliar a disposição dos elementos químicos

no filme após o seu processo de formação. A Figura 38 mostram os resultados da distribuição

dos elementos de carbono, nitrogênio, oxigênio e ferro na superfície do filme de QtNeutra/NPS,

comprovando uma certa homogeneidade do material. Tais resultados são similares ao de Kang et

al. (2015) que relataram a disposição homogênea dos elementos em filmes automontados pela

combinação do polissacarídeo goma de gelano com óxido de grafeno.

Figura 38 - Análise de EDS do Filme de QtNeutra/NPS. Distribuição dos elementos: (a) carbono,

(b) oxigênio, (c) nitrogênio e (d) ferro.

(a) (b)

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105

(c) (d)

Através dos resultados apresentados até aqui é possivel afirmar que ocorreu a deposição

de camadas alternadas de quitosana e complexos, exceto para a quitosana purificada na forma de

cloridrato, uma vez que essa deposição ocorreu de forma bem aleatória como observado pela

técnica de Uv-Vis. A Figura 39, mostra uma representação da interação entre a Qt e os

complexos.

Figura 39 – Representação da interação entre a QtNeutra e o (a) NPS e (b) RubpyNO.

(a) (b)

Percebe-se também a estabilidade dos filmes, uma vez que podem ser reutilizados e

apresentam poucas falhas na sua superfície. Diante deste resultados deu-se início a um teste

preliminar quanto a sensibilidade dos filmes a determinadas substâncias, como veremos a seguir.

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106

5.4 UTILIZAÇÃO DO FILME COMO BIOSENSOR

A utilização de polissacarídeos naturais na produção de filmes automontados apresenta a

vantagem em se obter eletrodos modificados biodegradáveis e muitas vezes com uma maior

sensibilidade e reprodutibilidade. Estudos com filmes automontados tem sido reportados:

PAH/Chichá/PAH/NiTsPC na detecção de dopamina (ZAMPA et al., 2007),

PANI/CuTsPc e PANI/FeTsPc na determinação de dopamina e ácido ascórico (ZUCOLOTTO et

al., 2006), quitosana com lipossomos na detecção de (GUAN et al., 2012) de algumas classes de

pesticidas.

Os filmes automontados que apresentaram bons resultados no monitoramento do

crescimento (QtNeutra/NPS, QtNeutra/RubpyNO, QtAcetato/NPS e QtAcetato/RubpyNO) foram testados

quanto à sua capacidade como biosensor, na detecção de ácido ascórbico (AA) e cisteína pela

técnica de voltametria cíclica. Assim, foram preparadas soluções de AA variando entre os teores

mínimos e máximos dessa substância no corpo humano (8, 15, 20, 25 e 30 mmol/L) e analisadas

utilizando como eletrodo de trabalho os filmes. Quanto à cisteína, foram utilizadas soluções 0,01

e 0,1 M dessa substância, as quais compreendem a concentração em que a cisteína se encontra no

plasma sanguíneo.

A Figura 40 apresenta a voltametria ciclica para a QtNeutra/NPS a várias concentração de

AA, observa-se que para concentração de 30 mM deste reagente há um aumento não linear

quando comparado as outras concentrações que parecem ter um crescimento linear com o

aumento da concentração.

A análise do filme de QtAcetato/NPS além de não identificar pico redox na concentração

de 8 mmol/L (valor abaixo do limite de detecção do filme), apresentou crescimento de ipa

aleatório com o aumento da concentração das solução de AA. Já o filme de QtAcetato/RubpyNO,

apesar de conseguir identificar as ipa (exceto para as concentrações de 15 e 30 mmol/L do AA),

os picos são de baixa intensidade, não sendo perceptíveis, exceto quando observados

individualmente.

Já o estudo para o filme de QtNeutra/RubyNO apresentou resultado bastante interessante,

pois observou-se uma variação da intensidade da corrente em função da concentração de AA,

Figura 41. Para todos os filmes não foi observado nenhum processo reversível.

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107

Figura 40 - Comportamento voltamétrico da solução de AA nas concentrações 8 mmol/L (___

),

15 mmol/L (___

), 20 mmol/L (___

), 25 mmol/L (___

) e 30 mmol/L (___

) em KCl 0,1 mol/L quando

analisados pelo filme de QtNeutra/NPS.

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

Figura 41 - Comportamento voltamétrico da solução de AA nas concentrações 8 mmol/L (___

),

15 mmol/L (___

), 20 mmol/L (___

), 25 mmol/L (___

) e 30 mmol/L (___

) em KCl 0,1 mol/L quando

analisados pelo filme de QtNeutra/RubpyNO.

1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

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108

Tabela 16 – Potenciais de pico anódico da análise das diferentes concentrações de AA pelo

filme de QtAcetato/RubpyNO.

Concentração Epa (V)

8 -0,63

15 -0,62

20 -0,65

25 -0,41

30 -0,22

Uma vez que os valores de potencial não sofrem grandes deslocamentos com o aumento

da concetração de AA, construindo-se o gráfico do crescimento da corrente de pico anódica

observada em cada um dos filmes versus a concentração de AA (Figura 42), tem-se que o filme

de QtNeutra/RubpyNO apresentou o melhor coeficiente de correlação (R = 0,95779),

demonstrando que para o caso de uma determinação quantitativa do AA, este filme é a melhor

opção. Assim sendo, a equação da reta pelo qual a determinção de AA pode ser realizada é: ipa =

2,25•10-5

x[AA] -1,77•10-4

, com um desvio padrão de 6,68x10-5

.

Figura 42 - Crescimento da ipa com a concentração de AA para os filmes de QtNeutra/NPS ( ),

QtNeutra/RubpyNO ( ), QtAcetato/NPS ( ) e QtAcetato/RubpyNO ( ).

5 10 15 20 25 30

0

100

200

300

400

500

R = -0.11094

R = -0.11094

R = 0.95779

R = 0.86752

[AA]/mM

i pa/

V

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109

Quanto à análise de cisteína, novamente somente o filme QtNeutra/RubpyNO apresentou

um comportamento linear em função da concentração. Os outros filmes apresentaram

comportamento aleatório. A Figura 43 apresenta a eletroquímica de amostras de cisteína 0,01 e

0,1 M utilizando o filme de QtNeutra/RubpyNO como eletrodo de trabalho. Observou-se um

deslocamento dos picos anódicos e catódicos para regiões de potencial mais baixo e maior valor

de corrente, com o aumento da concentração do analito, de forma semelhante ao que ocorre com

a análise do AA.

Figura 43 – Análise por VC da solução de cisteína 0,01 M (___

) e 0,1 M (___

) em KCl 0,1 mol/L

pelo (a) eletrodo de carbono vítreo e (b) filme de QtNeutra/RubpyNO.

0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2

-2

-1

0

1

2

3

4

5 -0,76 V-0,62 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(a)

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110

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0,63 V

0,22 V

i/

A

E/V vs Ag/AgCl

(b)

Um estudo mais detalhado é necessário para proposição de uma possível equação que

possibilite a determinação da concentração de cisteína, em função da corrente obtida no

voltamograma de análise da substância.

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111

Conclusão

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112

6 CONCLUSÃO

Observando as características das quitosana purificadas através do procedimento adotado

neste trabalho, pode-se concluir que em função da metodologia empregada no processo de

purificação, obtém-se materiais com características distintas. A quitosana purificada na forma de

cloridrato apresenta uma menor viscosidade e massa molar. Entretanto com maior umidade,

podendo ser explicado pela presença de cargas na sua estrutura que deve alterar as interações

inter e intracadeia, conferindo maior hidrofilicidade e, por conseqüência, maior solubilidade em

água. Comportamento contrário é observado para a quitosana purificado na forma de acetato,

essa alteração no comportamento pode estar relacionada a utilização de um ácido fraco (ácido

acético) na sua purificação.

Os filmes automontados construídos utilizando-se quitosanas purificadas nas formas

neutra, acetato e cloridrato com NPS e RubpyNO apresentaram absorção no Uv-Vis na região de

270 e 293 nm, respectivamente. A espectroscopia de absorção da região do infravermelho para

os filmes é observada bandas relativas tanto ao polímero, quanto aos complexos, caracterizando

uma boa interação entre os dois reagentes. O estudo sobre o monitoramento do crescimento dos

filmes pela técnica de Uv-Vis mostrou um crescimento não linear nos filmes automontados em

que foi utilizado a quitosana purificada na forma cloridrato, desta forma o estudo eletroquímico

de biosensor não foi realizado.

O estudo eletroquímico mostra que, o filme formado com QtAcetato/RubpyNO, apresentou

um processo redox irreversível. Os demais filmes apresentaram comportamento como um

processo redox semi-reversível. Os potenciais de picos catódicos e anódicos para os filmes de

QtNeutra/NPS, QtAcetato/NPS exibiram uma maior variação, provavelmente provocado pela carga

existente neste polímero que parece afetar drasticamente nos potenciais, além do tipo de

interação eletrostática que existe entre a quitosana e os complexos. No caso dos filmes com

RubpyNO observou-se menor deslocamento dos picos catódicos e anódicos, essa diferença pode

ser explicada pela interação que existe entre o polímero é o complexo, que neste caso são as

ligações de hidrogênio.

Foram realizados após o experimento de eletroquímica, alguns testes com a solução

eletrolítica (Uv-Vis) e com os filmes (análise térmica e IV) com o objetivo de identificar

qualquer diferença após sua utilização. A análise por Uv-Vis confirmou que não ocorre liberação

dos complexos para a solução eletrolítica, além disso, o infravermelho apresenta os mesmos

deslocamentos químicos, com pequenas variações que podem estar relacionadas a modificação

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113

do substrato utilizado (vidro e KBr). A análise termogravimética também apresentou resultados

semelhantes àqueles observados no filme antes do ensaio de eletroquímica. Estudos

eletroquímicos com o mesmo eletrodo utilizados em datas alternadas mostraram-se

reprodutíveis, confirmando assim a estabilidade destes filmes.

Análises por MEV e EDS mostraram que os filmes formados são homogêneos e

apresentam os elementos químicos distribuídos por toda a superfície do filme.

Uma possível aplicação dos filmes na detecção AA e cisteína foram realizadas. Todos os

filmes apresentaram comportamento eletroquímico de processos semi-reversíveis. Somente o

filme de QtNeutra/RubpyNO apresentou melhor coeficiente linear, com baixo valor de desvio

padrão e pequenos deslocamentos nos valores de potencial, sendo assim um potencial eletrodo

para identificação tanto da cisteína quanto do AA.

Tendo como base esses resultados, pode-se concluir que a metodologia utilizana na

purificação da quitosana inferfere diretamente no comportamento eletroquímico dos filmes

automontados e na sua capacidade de detecção. Outro fator que afeta é o tipo de interação, em

nosso estudo tivemos dois tipos de interação: quitosana/NPS, interação eletrostática; quitosana/

RubpyNO ligação entre os átomos de hidrogênio presentes nas duas moléculas.

Esses resultados são promissores e indicam que o eletrodo de ITO modificado com

QtNeutra/RubpyNO têm uma possível aplicação como biosensor de AA e cisteína. Estudos mais

detalhados quanto ao mecanismo e limite de detecção são necessários.

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114

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