O desenvolvimento de sensores tem sido uma das aplicações mais importantes de filmes de polielectrólitos [86-97, 110, 126, 190, 191]. Os sensores podem ser, essencialmente, de dois tipos: (i) constituídos por um filme de polielectrólitos, tirando partido da sua permeabilidade selectiva [43, 85], ou (ii) envolvendo a incorporação de uma espécie sensora no filme. A incorporação dessa espécie no filme pode ser realizada seguindo um de três processos: (i) deposição em substituição do polianião ou do policatião [86-94, 110, 126, 190], (ii) infiltração da espécie na matriz polimérica que constitui o filme [95] ou (iii) modificação química do filme, adicionando-lhe grupos ou espécies com propriedades de reconhecimento molecular [96-99, 110].
Um dos exemplos mais comuns de sensores do primeiro tipo é observado com filmes de polielectrólitos depositados sobre eléctrodos, que permitem o desenvolvimento de sensores electroquímicos. As propriedades deste tipo de sensores dependem da sensibilidade do filme para o analito e da velocidade a que o sinal resultante dessa interacção é detectado pelo eléctrodo. Assim, é fundamental avaliar a interacção entre o filme e o analito, bem como o transporte de massa e de carga através desse filme [161]. Um exemplo, ilustrado na Figura 5.1, é conseguido com a utilização de um filme com uma permeabilidade adequada para que apenas uma dada espécie atinja a superfície do eléctrodo, sendo detectada amperometricamente, eliminando a interferência de outras espécies presentes, que não conseguem atingir a superfície do eléctrodo por não serem capazes de atravessar o filme [85].
A possibilidade de detecção de iões, tirando partido das propriedades que os filmes de polielectrólitos exibem enquanto constituintes de eléctrodos modificados, foi também descrita para o caso de Ca2+, por Dai et ai. [149]. O mecanismo de detecção da presença de Ca + em
solução envolve a participação de uma espécie electroactiva e baseia-se na competição entre Ca2+ e [Ru(NH3)6]3+ por locais de adsorção. Aumentando a quantidade de Ca2+, observou-se
autores consideram ser devida a uma diminuição da quantidade de [Ru(NH3)6]3+ adsorvido no
filme, em consequência da sua substituição por Ca +.
espécie espécie analito interferente analito interferente
<>) (b)
Figura 5.1: Esquema ilustrativo da utilização de um filme de polielectrólitos na construção de um sensor, tirando partido da sua permeabilidade selectiva. Na ausência de filme (a), as duas espécies - analito e interferente - atingem a superfície do eléctrodo, sofrendo reacção electroquímica. Na presença de filme (b) só o analito sofrerá reacção electroquímica na superfície do eléctrodo.
Relativamente ao desenvolvimento de sensores através da construção de filmes com propriedades de reconhecimento molecular, a estratégia seguida tem-se baseado invariavelmente na incorporação de enzimas, em que o exemplo mais estudado diz respeito a filmes construídos com glucose oxidase (GOx) para a sua aplicação em sensores de glucose [87, 91, 127, 190, 192-197]. Os filmes podem ser construídos por automontagem electrostática, utilizando GOx como polianião [87, 194, 195] ou como policatião, após modificação química [127], mas também através de ligações covalentes, utilizando GOx modificada [190, 192] ou ainda por interacções bio-específicas [91]. A utilização de ligações covalentes permite tornar os filmes mais resistentes a alterações de força iónica e pH da solução do que no caso em que a construção envolve apenas interacções electrostáticas [190]. A detecção da glucose usando este tipo de sistemas é feita electroquimicamente, através da medição da intensidade de corrente devida à reacção electroquímica de H2O2 resultante da reacção catalítica [91] ou através da medição da intensidade de corrente electrocatalítica devida à reacção de um mediador presente na solução [190, 195] ou imobilizado no filme [87,
192, 194]. O valor da intensidade de corrente medida em ambos os casos aumenta com o número de camadas de GOx existentes no filme, permitindo desenvolver sensores com
diferentes sensibilidades e limites de detecção [87, 91, 190, 192, 195]. Recentemente, Zhang e colaboradores reportaram a incorporação de nanopartículas de ouro na matriz polimérica, que fazem aumentar a transferência electrónica entre o analito e a superfície do eléctrodo, permitindo melhorar a sensibilidade do sensor [196, 197].
Para além de sensores electroquímicos, é possível desenvolver outro tipo de sensores utilizando filmes preparados pela técnica da automontagem electrostática, como os sensores ópticos [110, 191, 198] ou os microgravimétricos [199-201]. Por exemplo, Lee e colaboradores desenvolveram sensores ópticos para pH e iões metálicos utilizando a tecnologia de automontagem electrostática [110]. Para o sensor de pH, preparou-se um filme através da deposição de um policatião e de uma molécula fluorescente,
l-hidroxipireno-3,6,8-trissulfonato, que apresenta picos de emissão bem definidos e distintos para as formas protonada e desprotonada. Quando mergulhado numa solução, a molécula fluorescente adquire um determinado grau de protonação de acordo com o pH da solução, que pode assim ser determinado pela posição relativa dos picos e pela intensidade de fluorescência medida. No caso do sensor para iões metálicos, o filme foi construído utilizando um policatião e poli(acrilato) previamente modificado pela ligação covalente de espécies indicadoras. Neste caso, verifica-se a diminuição da intensidade de fluorescência na presença de iões ferro (III), devido à ocorrência de transferência electrónica da espécie indicadora para o ião. A diminuição da intensidade de fluorescência é tanto mais acentuada quanto maior for a quantidade de ião presente em solução, permitindo assim determinar a sua concentração.
Neste capítulo vão abordar-se os estudos feitos com vista ao desenvolvimento de um sensor para catião bário, baseado em alterações de permeabilidade do filme de polielectrólitos a uma espécie electroactiva causadas pela presença de Ba + em solução.
5.2. Procedimento Experimental
I. Reagentes e MaterialOs reagentes cisteamina (Fluka), poli(4-estirenossulfonato) de sódio, PSS, (PSS, MM=70000, Aldrich), hidrocloreto de poli(alilamina) PAH (MM=15000, Aldrich), NaC104.H20 (Merck), Ba(C104)2 (Aldrich), NaN03 (Merck), Ba(N03)2 (Merck),
sem purificação adicional. Água desionizada (resistividade > 18 MQ cm, Millipore) foi usada na preparação de soluções, em todas as experiências e em todos os procedimentos de limpeza.
Eléctrodos de disco de ouro com diâmetro de 2 mm (Radiometer EM-EDI-AuD2) foram usados como substrato para a preparação dos filmes de polielectrólitos.
II. Modificação da superfície de ouro por filmes automontados
A preparação dos filmes de polielectrólitos seguiu o procedimento descrito nos capítulos anteriores. Em resumo, o eléctrodo de ouro foi limpo por imersão em solução piranha, seguida de polimento mecânico e limpeza electroquímica do ouro. A superfície do eléctrodo foi então modificada com cisteamina, seguindo-se a deposição electrostática alternada dos polielectrólitos PSS e PAH, a partir das respectivas soluções aquosas 1 mg mL"1
em meio tampão acetato 0,1 M, pH = 4,5, durante 20 minutos, até se atingir o número de camadas pretendido.
III. Estudos electroquímicos
As experiências electroquímicas foram realizadas à temperatura ambiente (~ 20 °C), utilizando uma célula de três eléctrodos: eléctrodo de trabalho de disco de ouro modificado com filme de polielectrólitos, eléctrodo auxiliar de rede de platina e eléctrodo de referência de Ag/AgCl/NaCl 3M, ligado à solução por um capilar de Luggin. A célula foi colocada dentro de uma caixa de Faraday.
As medições de VC foram realizadas com o auxílio de um potenciostato Autolab PSTAT 10. As medições de Espectroscopia de Impedância Electroquímica (EIE) foram realizadas após as medições de VC, utilizando um analisador de resposta de frequências Solartron 1250 acoplado a um potenciostato Solartron 1287, com uma perturbação sinusoidal com amplitude de 20 mV, centrada no potencial de equilíbrio do par oxido/redutor utilizado, e com frequência de 10000 a 0,1 Hz (10 pontos por década).
A solução no interior da célula electroquímica era constituída por NaClÛ4 + Ba(ClÛ4)2 ou NaNÛ3 + Ba(NC>3)2 com força iónica aproximadamente constante e igual a 0,1 M e sonda electroquímica: respectivamente, [Fe(CN)6]3"/4~ ou [Ru(NH3)6]3+, com concentração igual a 1
O oxigénio dissolvido foi removido por passagem de corrente de azoto durante pelo menos 10 minutos, mantendo-se uma atmosfera de azoto no interior da célula durante a execução das experiências.
IV. Microgravimetria usando balança de cristal de quartzo
Para as experiências de microgravimetria usando uma balança de cristal de quartzo
(Tecnobiochip Picobalance V3), construiu-se um filme com dez camadas, (PSS+PAH)5, sobre
um cristal de quartzo {International Crystal Manufacturing Co, Inc.) previamente modificado com cisteamina, seguindo o procedimento descrito anteriormente. O cristal modificado foi montado na célula, à qual se adicionaram 10 mL de solução de NaClC>4 0,1 M A medição da frequência de vibração do cristal foi medida continuamente, durante as sucessivas adições de solução de Ba(C104)2 0,1 M à solução inicial, necessárias à obtenção das concentrações de Ba2+ desejadas.