Transição de Fase em Colóides

UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SANDRO VAGNER DE LIMA
TRANSIÇÕES DE FASE EM COLÓIDES: FÍSICA BÁSICA E
APLICAÇÕES EM LIBERAÇÃO CONTROLADA DE
FÁRMACOS
Juazeiro-BA
2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SANDRO VAGNER DE LIMA
TRANSIÇÕES DE FASE EM COLÓIDES: FÍSICA BÁSICA E
APLICAÇÕES EM LIBERAÇÃO CONTROLADA DE
FÁRMACOS
Dissertação apresentada a Universidade
Federal do Vale do São Francisco UNIVASF, Campus Juazeiro, como requisito
da obtenção do título de mestre em Ciência
dos Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Helinando Pequeno de
Oliveira
Juazeiro-BA
2010
L732t
Lima, Sandro Vagner de.
Transições de fase em colóides: física básica e aplicações em
liberação controlada de fármacos / Sandro Vagner de Lima.
Juazeiro, 2010.
97 f. : il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Vale do São
Francisco , Campus Juazeiro-Ba, para mestre em Ciência dos
Materiais, 2010.
Orientador: Prof. Dr. Helinando Pequeno de Oliveira.
Inclui referências.
1. Transições de fase em sistemas coloidais. 2. Fármacos. I.
Título. II. Oliveira, Helinando Pequeno de. III. Universidade Federal
do Vale do São Francisco.
CDD 530.4
Ficha
catalográfica elaborada pelo Sistema Integrado de Biblioteca
SIBI/UNIVASF
v
Este trabalho é dedicado a minha
família: minha mãe Maria de Lourdes,
meu pai Luis e minha avó Teresinha
pelo
carinho,
ensinamentos
e
dedicação.
vi
Agradecimentos
À Deus pela vida, pelo desafio e oportunidade de crescimento.
Aos meus pais pela simplicidade, honestidade, ensinamentos.
Às minhas irmãs Carla e Luana pelo carinho.
Às minhas avós Terezinha e Maria pela preocupação que sempre tiveram
comigo.
Ao professor Helinando pela simplicidade, paciência, amizade e dedicação em
tudo que faz.
Aos professores Telio, Joatan, Nikifor, Wagner e Militão pelos ensinamentos.
Ao Jacinto e Ginetton pela incrível capacidade de improvisar.
Aos colegas Elisângela, Tárcio, Ericleiton, Yuri, Guilherme, Manoel pela
paciência comigo.
Aos amigos Evando e Ariadne pelo companheirismo, alegrias e ombro amigo.
À dona Maria Helena pelos conselhos e sinceridade.
vii
“A vida não dá e nem empresta, não se comove e nem se
apieda. Tudo quanto ela faz é retribuir e transferir aquilo que nós
lhe oferecemos”.
Albert Einstein
viii
Resumo
Nesta dissertação de mestrado a temática de transições de fase em sistema coloidais foi
abordada com especial enfoque no efeito da temperatura sobre a agregação e hidratação de micelas
expandidas ao limite de algumas aplicações nas áreas de farmácia, com a liberação controlada de
drogas pela ação de polímeros entéricos. Com a caracterização elétrica e modelagem dos processos
interfaciais convenientemente descritos pelo circuito de Randles modificado, passamos a caracterizar
os processos agregacionais a partir do mapeamento da capacitância de dupla camada elétrica, cuja
descrição é atrelada à teoria de Gouy-Chapmann e à distribuição de Boltzmann para os íons dispersos
na interface eletrodo/eletrólito. Como aplicações decorrentes dessa teoria foram estudados os
processos de ponto e temperatura Krafft dos surfactantes iônicos dodecil sulfato de sódio (SDS),
brometo de hexadeciltrimetilamônio e dodecil sulfato de lítio. Efeitos da temperatura sobre a
agregação descrita pelo ponto de névoa dos surfactantes não-iônicos (triton X-100, Triton X-405 e
Tween 80) também foram caracterizados a partir da modelagem elétrica, mostrando que a precipitação
de agregados gigantes que caracteriza o ponto de névoa em solução pode ser associada com mudanças
na frequência de relaxação do sistema. Além disso, o efeito de fatores (concentração de cloreto de
sódio, triton X-100, SDS e temperatura) na extração por ponto de névoa foram analisados mostrando
que a condição ótima para remoção de contaminantes é aquela resultante da introdução de NaCl. A
partir desse ponto, o conjunto de técnicas usadas passou a ser direcionada ao estudo da liberação
controlada de fármacos, permitindo com que não apenas a resposta elétrica, mas também a
fluorescência e a absorção na região do UV-Vis fossem utilizadas como técnicas apropriadas para
mapear a cinética e os efeitos de nanopartículas magnéticas na liberação da aspirina e do metronidazol
com encapsulacão dessas pelo polímero entérico Eudragit L-100.
ix
Abstract
The study of phase transitions in colloidal systems must be considered the most important
topic in this work. In special, the effects of temperature on aggregation and the hydration of micelles
were analyzed with the focus on basic and applied physics. The applications were centered in the
study of drug delivery, from the use of enteric polymers in the presence (absence) of magnetic
particles, allowing that in the sequence of this work the magnetic field can be used as an external
parameter to provide the controlled release of drugs. The electrical characterization of colloidal
systems was provided from the adequate modeling of results using the modified Randles circuit, from
which aggregational processes are described and related with the solution of Gouy-Chapman theory.
The second topic analyzed was the influence of additives on the typical value of cloud point of nonionic surfactants. To this, the giant micelles were conveniently characterized from typical changes in
the value of relaxation frequency of system. With the aim of optimizing the values of critical
temperature, it was realized a chemometric study in which critical factors such as presence of additives
(ionic surfactants), salts (NaCl) and extraction temperature were minimized (maximized) with the
purpose of minimize the extraction temperature of contaminants from water. As an application, using
this technique, we analyzed the extraction of silver nanoparticles from water.
x
Sumário
Capitulo 1 - Surfactantes e Polímeros Entéricos
1.1
Surfactantes.............................................................................................................................12
1.1.1
Classificação...........................................................................................................................13
1.1.2
Fenômenos críticos de agregação em surfactantes...........................................................15
1.1.3
Transições de fase em surfactantes induzidas por temperatura...................................18
1.2
Polímeros entéricos...............................................................................................................26
Capítulo 2 – Técnicas experimentais
2.1
Espectroscopia de impedância Elétrica.................................................................................29
2.2
Espectroscopia de absorção na região do UV-Vis............................................................45
2.3
Espectroscopia de fluorescência..........................................................................................47
Capítulo 3 Transições de fase induzidas por temperatura em surfactantes
3.1
Ponto Krafft de surfactantes iônicos....................................................................................53
3.2
Ponto de névoa.....................................................................................................................70
Capítulo 4 – Aplicações: Extração por ponto de névoa e liberação
controlada de fármacos
4.1
Extração por ponto de névoa...............................................................................................78
4.2 Liberação controlada de fármacos........................................................................................85
Capítulo 5 – Conclusões e Perspectivas
5.1
Conclusões e Perspectivas...............................................................................................96
Referência...................................................................................................................................101
xi
Prefácio
Essa dissertação de mestrado tem como tema central o estudo de transições de fase induzidas pela
temperatura em sistemas coloidais de surfactantes com uso de uma abordagem não-convencional de
circuitos equivalentes e do comportamento de liberação de medicamentos (metronidazol e aspirina)
encapsulados no polímero eudragit L-100 na ausência e presença de nanopartículas de magnetita.
A dissertação está estruturada em cinco capítulos. No primeiro é feita uma revisão bibliográfica
mostrando as principais características dos surfactantes e polímeros entéricos sujeitos a processos de
agregação. Os parâmetros temperatura e pH se mostraram os mais adequados para a medida das
transições de fase induzidas.
No capítulo 2 são apresentadas as técnicas utilizadas na análise do comportamento da transição de fase
conhecida por ponto Krafft em surfactantes iônicos e ponto de névoa em surfactantes não-iônicos. Os
resultados são apresentados nos capítulos 3 e 4. No capítulo 3, as transições em surfactantes são
caracterizadas pelo uso do circuito elétrico de Randles modificados, na qual do ajuste, a capacitância
de dupla camada elétrica e a resistência de volume permitem identificar cada transição. No mesmo
capítulo o ponto de névoa é caracterizado através da relação de Maxwell - Wagner com o uso de
circuitos RC em paralelo. No capítulo 4 são apresentadas duas aplicações referentes à transição de
ponto de névoa e daquela que ocorre no eudragit L-100. Destaca-se neste capítulo o estudo
quimiométrico para análise de diferentes fatores na extração de contaminantes em ambientes aquáticos
pelo método de extração ponto de névoa, além de promover um levantamento exploratório do perfil de
liberação da aspirina e do metronidazol encapsulado no eudragit L-100.
Capítulo 1
Capítulo 1
Surfactantes e Polímeros Entéricos
1.1 Surfactantes
Surfactantes são substâncias anfifílicas constituídas por porções hidrofóbicas e hidrofílicas. A
porção hidrofílica, chamada de grupo cabeça (grupo polar ou iônico), está conectada à porção
hidrofóbica por uma longa cadeia de hidrocarboneto ou fluorcarboneto (linear, ramificada ou contendo
anéis aromáticos) [1], como mostra a Fig.1. A parte hidrofóbica interage fracamente com as moléculas
de água, enquanto que as interações da parte hidrofílica com a água se dão a partir de ligações íon–
dipolo ou dipolo–dipolo. Essa classe de substâncias é amplamente usada em um grande número de
aplicações dada a sua notável habilidade de influenciar propriedades superficiais e interfaciais de
soluções [2]. As aplicações na ciência e na indústria vão desde processos de recuperação de petróleo e
processos de melhoramento da qualidade de produtos à produção de cosméticos e farmacêuticos [2-3].
Figura 1- Representação típica de um surfactante a) representação esquemática b) estrutura
do surfactante iônico dodecil sufato de sódio (SDS).
12
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
1.1.1. Classificação
Os surfactantes são geralmente classificados conforme a natureza do grupo cabeça podendo
ser iônicos (catiônicos ou aniônicos), não-iônicos e zwitteriônicos (também chamados de anfóteros).
Iônicos
Os surfactantes iônicos se dissociam em água com a solubilização de cargas sob forma do
grupo cabeça (aniônico ou catiônico) e contra-íons, apresentando papel fundamental na formação das
micelas devido ao efeito de balancear a repulsão eletrostática do grupo cabeça. Na Fig. 1 é mostrado
um exemplo típico de surfactantes iônico. Esses sistemas têm sua solubilidade dependente da
temperatura, como será descrito na seção 1.1.3.
Aniônicos
Este tipo de surfactante tem grupo cabeça carregado negativamente. Os principais grupos
hidrofílicos são os carboxilatos, sulfatos, sulfonatos e fosfatos [4]. Esses surfactantes são produzidos
pela reação de um composto orgânico com alto peso molecular ou alcoóis com um composto
inorgânico como o hidróxido de sódio ou ácido sulfúrico. Os mais comuns são o estearato de sódio ou
potássio, o dodecil sulfato de sódio (SDS) (Fig. 2) e o alquilbenzeno sulfonato de sódio. Uma das
principais vantagens desses surfactantes é a elevada estabilidade como agente saponificante, sendo, no
entanto, bastante sensíveis à presença de minerais na água (como, por exemplo, é o caso da água dura
que se caracteriza por apresentar alto teor de cátions de cálcio e magnésio).
Figura 2-Estrutura molecular do dodecil sulfato de sódio (SDS)
13
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
Catiônicos
Os surfactantes catiônicos têm um grupo cabeça positivo e os mais comuns são formados por
grupos cabeça de amônio quaternário (Fig. 3) ou grupo funcional piridínio [4]. Esses surfactantes são
considerados bons agentes de molhagem e não possuem ação como detergente quando formulados em
solução alcalina.
Figura 3-Estrutura molecular do cloreto de hexadeciltrimetilamônio
Zwitteriônicos
Esse tipo de surfactante possui tanto um grupo cabeça catiônico quanto aniônico. Uma
característica importante destes surfactantes é a sua dependência com o pH da solução. Em pH ácido
as moléculas adquirem uma carga positiva passando a se comportar como um típico surfactante
catiônico, enquanto que em pH básico a carga adquirida é negativa atuando como um surfactante
aniônico. No ponto isoelétrico, ambos os grupos iônicos são dominantes [5]. Os representantes mais
comuns são as betaínas cuja estrutura é mostrada na Fig. 4.
Figura 4- Estrutura da cocoamidopropil betaína
Não-iônicos
Os surfactantes não-iônicos são de grande praticidade quando consideradas a sua baixa
sensibilidade à água dura e ao pH. Devido a essa compatibilidade com sistemas carregados, esses
surfactantes são usados em sistemas mistos do tipo surfactante iônico/não-iônico [4]. As aplicações de
14
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
maior interesse são voltadas à análise da estrutura e função da membrana de proteínas [6]. Os
surfactantes não-iônicos mais comuns apresentam grupo cabeça baseado no polietileno óxido e no
multihidróxido. A solubilidade desse tipo de surfactante em água depende tanto do comprimento da
cadeia quanto do número de unidades de etileno óxido [4] como o triton X-100 mostrado na Fig. 5.
Figura 5-Estrutura molecular do triton X-100
Em geral, a solubilidade dessa classe de surfactantes é inversamente proporcional à
temperatura. Esse fenômeno é atribuído ao rompimento das ligações de hidrogênio entre as moléculas
de água e as unidades de etileno óxido, causando a precipitação do composto em solução em uma
temperatura denominada de ponto de névoa. Essa transição será discutida com detalhes na seção 1.2
dessa dissertação.
1.1.2 Fenômenos críticos de agregação em surfactantes
Devido ao duplo caráter, os surfactantes ao serem dissolvidos em solução aquosa promovem a
quebra das ligações de hidrogênio e localização das moléculas da água nas proximidades do grupo
hidrofílico [7] se comportando inicialmente (em baixas concentrações) como um simples eletrólito.
Como resultado desta distorção, as moléculas tendem a se alojar na forma de uma camada simples em
uma interface (água/ar, água/óleo), reduzindo, consequentemente, a tensão interfacial na solução. Essa
situação permanece até que se atinja a saturação de moléculas na interface. Nessa condição, as
moléculas de surfactante são deslocadas para o interior da solução aquosa, o que promove a formação
de agregados moleculares como consequência do balanço de forças no sistema [8]. A formação de
15
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
agregados em solução aquosa é devido ao não-favorecimento energético do contato com a água e a
possibilidade de contato com a parte polar [2].
Nesse sentido, o aumento da concentração de surfactantes em solução leva as moléculas dos
surfactantes a formar agregados em estruturas denominadas micelas. A concentração em que as
micelas surgem é chamada de concentração micelar critica (CMC), cujos valores típicos para
diferentes materiais são apresentados na Tabela 1.
Surfactante
Fórmula
CMC(mM)
Classificação Fonte
molecular
Dodecil sulfato de sódio
C12H26SO4Na
8.39
Iônico
[5]
Brometo de cetiltrimetilamônio
C19H42BrN
0.92
Iônico
[5]
Cholato de sódio
C24H39O5Na
6.93
Iônico
[9]
Dodecil benzeno sulfonato de
C18H29SO3Na
1.88
Iônico
[10]
Cloreto de Dodecilamônio
C12H25NH3CI
0.046
Iônico
[11]
Triton X-100
C34H62O11
0.24
Não-iônico
[12]
Tween-80
C64H124O26
0.01
Não-iônico
[13]
0.046 Não-iônico
[11]
sódio
Brij-30
C12H25(OCH)OH
Tabela 1-Valores da CMC em solução aquosa de alguns surfactantes
A representação esquemática dos monômeros é mostrada na Fig. 6. Nas micelas o grupo
hidrofílico entra em contato com as moléculas da água enquanto que a cauda hidrofóbica se organiza
de modo a minimizar o contato com a água [14]. As micelas existem em uma dada faixa de
concentração e está em equilíbrio dinâmico com os monômeros. Dois processos ocorrem neste
equilíbrio dinâmico, o que pode ser denotado por dois tempos de relaxação: τ1e τ2. O tempo τ1
caracteriza a meia vida das moléculas que substituem outros monômeros em micelas existentes,
16
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
enquanto que
τ2 caracteriza o tempo de meia vida para as moléculas que interagem formando novas
micelas. Esse equilíbrio dinâmico também ocorre para os contra íons em solução de surfactantes
iônicos [5].
Figura 6. Representação de micelização.
Outros agregados podem ser formados com o aumento da concentração tais como vesículas,
bicamadas, bastões e estruturas invertidas. Essas estruturas são determinadas a partir de um parâmetro
denominado fator de empacotamento, que depende da geometria da molécula do surfactante. Portanto,
podemos dizer que a arquitetura do surfactante é um importante parâmetro na formação das mais
diversas estruturas.
A CMC é medida experimentalmente pela rápida mudança nas propriedades interfaciais e no
volume da solução tais como: tensão superficial, condutividade elétrica, pressão osmótica, densidade,
espalhamento de luz ou índice de refração [6], como pode ser visto na Fig. 7. A relação entre a
mudança das propriedades da solução e a CMC é descrita pela condição de Phillips, segundo a Eq.
1[15].
17
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
onde
e CT representam respectivamente a propriedade e concentração do surfactante.
Essa relação estabelece que a máxima mudança no gradiente da propriedade-concentração
caracteriza a CMC [15].
Figura 7. Várias curvas mostrando a transição de fase com a concentração no processo de
formação de agregados moleculares do tipo micelas (fonte: referência [5]).
As micelas são esféricas com raio aproximadamente igual ao tamanho da cadeia hidrofóbica
de dimensões coloidais da ordem de 3-6 nm [16]. As propriedades das micelas em água são
influenciadas por vários fatores tais como: temperatura, pressão, contra-íons, adição de eletrólitos e a
estrutura molecular do surfactante [17]. O estudo das transições de fase induzidas pela temperatura
representa o foco central dessa dissertação.
1.1.3. Transições de fases em surfactantes induzidas por
temperatura
Transições de fase são processos de fundamental importância em áreas como a física e a
engenharia dada à aplicabilidade em materiais magnéticos, no fenômeno da supercondutividade e na
transição vítrea em polímeros, entre outros processos. Uma fase de um sistema físico é caracterizada
18
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
pela uniformidade de um conjunto de propriedades físico-químicas chamado de parâmetros
termodinâmicos [18], como, por exemplo, as fases líquida, sólida e gasosa da matéria, a
ferromagnética e paramagnética dos materiais magnéticos, a fase monomérica e micelar em
surfactantes. Uma transição de fase ocorre quando há uma mudança nos parâmetros termodinâmicos
de um material causando efeitos significativos (mudança abrupta) nas propriedades deste material
[19]. As mudanças causadas nessas propriedades são efeitos de um rearranjo atômico, molecular ou
eletrônico ocorrida na transição de fase [20].
O tratamento de transições de fases consiste em relacionar a termodinâmica dos sistemas a
partir de um conjunto de parâmetros (pressão, temperatura, volume, potencial químico, campo
magnético) nas quais significativas mudanças ocorrem. A caracterização da transição de fase faz uso
de parâmetros termodinâmicos tais como potencial químico ou energia livre de Gibbs [19] segundo a
Eq.2 e convenientemente representado por digramas de fases [21], como mostra a Fig. 8 para a
transição de fase na água,
onde G é a energia livre de Gibbs, U é a energia interna do sistema, P, V, T e S são respectivamente a
pressão, o volume, a temperatura e a entropia do sistema.
Figura 8-Diagrama de fase da água
19
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
Uma transição de fase ocorre quando existe uma singularidade na energia de Gibbs ou nas
derivadas com respeito a algum parâmetro termodinâmico [22], que provoca instabilidade em uma
fase. Em outras palavras, uma fase é estável quando a energia de Gibbs se encontra em um mínimo.
Outro método de tratar transições de fase é analisar as interações entre moléculas e partículas através
da teoria quântica [20].
A partir da energia livre de Gibbs G podemos classificar a ordem da transição de fase do
sistema físico. Historicamente Ehrenfest [20] classificou uma transição de primeira ordem como sendo
aquela cuja primeira derivada da energia livre de Gibbs mostra uma descontinuidade com relação a um
parâmetro. Uma transição de segunda ordem é aquela cuja segunda derivada mostra essa
descontinuidade. Uma classificação moderna define uma transição de primeira ordem como sendo
aquela que envolve calor latente (caracterizando mudança de fase à temperatura constante). Caso
contrário é uma transição de segunda ordem [18].
Nos surfactantes, as transições de fase induzidas por temperatura ocorrem com freqüência,
sendo principalmente aquelas relacionadas com a solubilidade objeto de estudo dado o interesse
prático desses materiais [23-26]. Com relação à solubilidade, essas transições ocorrem de maneira
completamente distinta nos surfactantes iônicos e não-iônicos. Nos surfactantes iônicos, uma
diminuição na temperatura causa a transição no ponto denominado de temperatura micelar crítica,
enquanto que em surfactantes não-iônicos o aumento da temperatura promove a transição chamada de
ponto de névoa.
Temperatura micelar crítica
A solubilidade de surfactantes iônicos cresce com o aumento da temperatura. A separação de
fase ocorre em um ponto denominado temperatura micelar crítica (TMC) que causa uma redução
drástica na solubilidade desses materiais. Essa separação de fase é descrita a partir de dois pontos: o
ponto Krafft (Pk), e a temperatura Krafft (Tk) [27-28]. Em temperaturas acima de Tk os surfactantes
iônicos são dispersos na forma de micelas. Com a diminuição da temperatura, ocorre a transição
caracterizada pela temperatura Krafft na qual a forma monomérica passa ser dominante com a
consequente precipitação de cristais hidratados forçados por interações do tipo Van der Waals [29]. A
20
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
segunda transição (monômeros para cristais hidratados) caracteriza o ponto Krafft do surfactante
iônico [28]. Em termos de solubilidade, os cristais limitadamente hidratados apresentam dependência
direta com a temperatura. Um aumento abrupto na solubilidade ocorre quando se tem aumento da
temperatura (passando pelo ponto Krafft). A solubilidade é considerada completa quando o surfactante
alcança a temperatura Krafft [30].
O ponto Krafft é afetado por diversos fatores, dos quais podemos destacar a natureza da
ligação entre o surfactante iônico e o contra-íon, a estrutura do sólido hidratado, a estrutura da cadeia
hidrofóbica linear, adição de uma ramificação nessa cadeia e o grau de hidratação, pressão, CMC e
adição de outros compostos como outro surfactante.
Várias definições são dadas para esta transição. A mais comum assume que o significado
físico do ponto Krafft é a temperatura de fusão do agente sólido hidratado [30]. Alternativamente a
esse conceito, a transição pode ser definida como a temperatura na qual a curva da solubilidade dos
monômeros intercepta a curva da CMC, ou seja, é a temperatura na qual a solubilidade é igual à CMC,
caracterizando o ponto em que micelas são formadas [31]. Em se tratando de equilíbrio, o ponto Krafft
pode ser dito como um ponto triplo, no qual micelas, monômeros e sólidos hidratados coexistem [3233]. Na Fig. 9 é mostrado o diagrama de fase de um surfactante iônico conforme discutido
anteriormente. Assim sendo, a relação entre temperatura e solubilidade de surfactantes iônicos
representa um parâmetro de grande relevância na escolha de surfactantes para aplicações industriais,
uma vez que surfactantes com ponto Krafft acima da temperatura ambiente não são comercialmente
viáveis.
Figura 9-Diagrama de fase de um surfactante iônico
21
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
Ponto de Névoa
Nos surfactantes não-iônicos o comportamento da curva de solubilidade versus temperatura é
inverso ao obtido nos surfactantes iônicos. Nesses sistemas a solubilidade diminui quando se aumenta
a temperatura, o que causa uma transição de fase em um ponto denominado de ponto de névoa. Esse
fenômeno é de fundamental importância em diversos processos industriais, tais como detergência e
separação de metais, sendo o ponto crítico caracterizado por mudança visual das soluções coloidais. A
constatação visual indica que abaixo do ponto de névoa a solução apresenta aspecto transparente
(mostrado na Fig. 10) enquanto que quando se alcança o ponto crítico a solução se torna turva com um
aspecto de “névoa”. Em termos da solubilidade, podemos entender o ponto de névoa como a
temperatura na qual a solubilidade do surfactante não-iônico não é suficiente para favorecer a ação
efetiva dos surfactantes [34]. Isso significa que há uma diminuição da hidratação dos grupos
hidrofílicos (por exemplo, grupos de polietileno óxido (PEO) com a agitação térmica [35]. Essa
diminuição é causada pelo rompimento das ligações de hidrogênio entre a água e os grupos
hidrofílicos do surfactante, o que caracteriza uma estruturação de duas fases sendo uma delas rica em
surfactante (fase coacervada) e a outra com concentração próxima à concentração micelar critica
(CMC) - definida como fase diluída [36-37]. O volume da fase coacervada é relativamente menor que
o volume da fase diluída, o que contribui com o acúmulo de surfactante na região do precipitado. Esse
acúmulo é consequência da formação de agregados gigantes (micelas gigantes) causada pela
precipitação do surfactante. Devido a essas características, a transição do ponto de névoa é comumente
usada como um método de extração de substâncias contaminantes da água. Nesta dissertação foi
utilizado esse método para extrair resíduos de prata coloidal da água em diferentes condições (como
será descrito no capítulo 4).
22
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
Figura 10-Aspecto da solução micelar do surfactante não-iônico em uma temperatura abaixo
e na temperatura de névoa.
O ponto de névoa é geralmente afetado por fatores como concentração de surfactante nãoiônico estrutura da molécula do surfactante não-iônico e outros solutos como sais, alcoóis, ácidos
graxos, fenóis e surfactantes iônicos. Entre os parâmetros descritos, a concentração do surfactante nãoiônico pouco influencia no ponto de névoa. Quanto à estrutura, verifica-se que o ponto de névoa cresce
com o número de grupos polietileno óxido. Quando as moléculas apresentam o mesmo número de
PEO, o ponto de névoa diminui com o peso molecular. Os sais em geral reduzem o ponto de névoa,
exceto nos casos em que os íons são fracamente hidratados, promovendo a diminuição da
disponibilidade de moléculas de água para hidratar os grupos hidrofílicos, causando o decréscimo da
solubilidade [38]. Por fim, alcoóis, ácidos graxos e fenóis diminuem o ponto de névoa enquanto que
surfactantes iônicos causam o aumento deste [2].
Esses efeitos podem ser entendidos levando em conta que quando a temperatura é aumentada
o mecanismo responsável pelo ponto de névoa é explicado em termos da atração entre as micelas.
Logo, segundo esse princípio, o ponto de névoa deve ser sensível às cargas elétricas presentes na
superfície das micelas, o que causa um aumento do ponto de névoa. Assim, com a introdução de um
surfactante iônico se tem o consequente aumento de um potencial elétrico repulsivo.
Esse argumento é descrito a partir do modelo matemático descrito na Eq. 3 [39].
23
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
onde TN é a temperatura de ponto de névoa após a adição do surfactante iônico, T 0 é a temperatura de
ponto de névoa do surfactante puro, Z é a carga na micela e
,
são, respectivamente, a costante
dielétrica da água, o diâmetro da micela, e o parâmetro de blindagem Debye-Huckel.
Fica claro da Eq. 3 a relação de proporcionalidade do ponto de névoa com a carga da micela
no termo
, mostrando que o ponto de névoa aumenta à medida em que um surfactante iônico é
inserido no sistema como consequência da formação de micelas mistas. Da Eq. 3 também é possivel
perceber a dependência do ponto de névoa com o parâmetro de espalhamento de Debye-Huckel, que
está intimamente ligado à força iônica e, consequentemente, à introdução de sais no meio. Portanto,
para entender o efeito de sais sobre o ponto névoa é necessário a compreeensão do parâmetro de
espalhamento de Debye –Huckel e da força iônica no meio segundo o modelo de Debye-Huckel.
Segundo este modelo, um íon de carga Q está cercado por uma atmosfera iônica de carga oposta a Q
(como mostra a Fig. 11) em uma temperatura T [40].
Figura 11-Distribuição de cargas conforme modelo de Debye-Huckel
24
Sandro Vagner de Lima
Surfactantes
Nestas condições o potencial eletrostático da carga Q em um dado ponto da solução será
alterado pelo efeito dessa atmosfera iônica. Como consequência, o potencial eletrostático em um dado
ponto terá ,segundo a equação Poisson-Boltzmann, a forma descrita na Eq. 4, considerando que os
íons estão distribuídos conforme a distribuição de Boltzmann na solução [41].
sendo Q a carga do íon central, r a distância de um ponto com relação à carga Q,
e a permissividade
do meio e D o comprimento de Debye definido, como inverso do parametro de blindagem de Debye e
dado por
descrita por
. Com
sendo a constante de Boltzmann, T a temperatura e I é força iônica
, onde
é a concentração de ions e qi é a carga de cada ion i no meio.
Baseado na Eq. 3, é importante ainda ressaltar que o ponto de névoa de um sistema misto
(surfactante iônico/não-iônico) é reduzido pela introdução de íons (sais) pela relação inversa deste
com o parâmetro de blindagem de Debye-Huckel. Isso pode ser entendido levando em conta que a
atmosfera iônica blinda o potencial de repulsão entre as micelas mistas o que contribui para a
diminuição do ponto névoa do sistema, uma vez que este está relacionado com a atração intermicelar.
A introdução de sais em sistemas formados por apenas surfactantes não-iônico também conduz a uma
diminuição na temperatura característica do ponto de névoa. Neste caso, a interação dos íons com a
água é otimizada, causando uma diminuição da solubilidade e, consequentemente, diminuindo o ponto
de névoa.
Vários trabalhos na literatura mostram efeitos de aditivos no ponto de névoa [42-44] buscando
melhores condições no método de extração por ponto de névoa. Essas medidas geralmente são feitas
por simples inspeção visual, em que o ponto de névoa é determinado pela mudança no aspecto da
solução [45]. Com intuito de compreender os mecanismos envolvidos no ponto de névoa, utilizamos a
espectroscopia de impedância elétrica (EIS) (Capítulo 3).
25
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
1.2 Polímeros entéricos
Os polímeros representam uma classe de substâncias compostas por macromoléculas
constituídas por carbono, hidrogênio e elementos não-metálicos [21]. O termo polímero (poli=muitos e
monômeros = unidade de baixa massa molecular) é um indicativo de como essas substâncias se autoconstroem. As unidades chamadas meros se repetem ao longo da cadeia da molécula caracterizando o
grau de polimerização (números de unidades meros na molécula). Essas unidades podem apresentar
variações na maneira de se organizar podendo formar uma cadeia linear, ramificada ou reticulada.
Quando a cadeia é linear, os meros são ligados entre si formando uma entidade contínua como mostra
a Fig.12 (estrutura do polietileno). Quando a cadeia é reticulada as unidades são conectadas de forma
tridimensional formando uma rede. Quando ramificado apresentam formações laterais de unidades
meros [46].
Figura 12-Estrutura molecular do polietileno
A conformação de cada polímero tem relação direta com suas propriedades físico-químicas. E
são essas propriedades que garantem aplicações para esses materiais. Polímeros com características
dependentes de um estímulo são chamados de polímeros inteligentes e têm encontrado aplicações na
farmacologia como carregadores de medicamentos, na engenharia eletrônica como piezoelétricos e na
engenharia mecânica com agentes anticorrosivos. Essas aplicações são fruto da sensibilidade que tais
polímeros apresentam com a temperatura, a concentração de sais, o pH, a radiação, entre outros [47].
Os polímeros que exibem mudanças nas propriedades em respostas a um estímulo luminoso
são chamados de fotossensíveis. Quando a luz incide nesses polímeros pode produzir mudanças na
viscosidade, solubilidade, pH, condutividade. Suas aplicações são centradas em dispositivos fotoativos
como fotosensores.
26
Sandro Vagner de Lima
Polímeros entéricos
A sensibilidade de polímeros com a temperatura está ligada à solubilidade, uma vez que esses
polímeros precipitam ao serem resfriados ou aquecidos, promovendo o surgimento de propriedades
únicas vinculadas a aplicações no desenvolvimento de sistemas térmicos para radioterapia, na qual a
substância quimioterápica é encapsulada em um polímero sensível à temperatura que precipita na
temperatura corporal [47]. Quando a sensibilidade se dá por estímulo luminoso, os polímeros podem
exibir mudanças na viscosidade, solubilidade, pH, ou na condutividade, permitindo aplicações em
dispositivos fotoativos como fotosensores. Se polímeros forem sensíveis a campo elétrico ou
magnético, ocorrem mudanças em suas propriedades mecânicas, proporcionando aplicações como
músculos artificiais, biosensores e sistemas de liberação de fármacos.
Outros polímeros que têm encontrado aplicações principalmente em sistemas de liberação
controladas de fármacos são os polímeros sensíveis ao pH. Esses polímeros são polieletrólitos com
grupos ácido ou básico que aceitam ou cedem elétrons em resposta a mudanças no pH do meio [47].
Essa característica proporciona aplicações como carregadores de medicamentos, especialmente com
intuito de inibir a ação do fluido gástrico sobre o medicamento e provocar sua liberação no intestino
[48]. Polímeros com essa capacidade são chamados de entéricos (referente ao intestino). Como
consequência dessa capacidade, polímeros entéricos são empregados com os seguintes objetivos:
reduzir os efeitos adversos de alguns fármacos, retardar a liberação do fármaco, permitir que o
fármaco seja liberado em partes do aparelho digestivo onde o fármaco tem sua ação ideal [49].
Os polímeros usados atualmente para esse propósito são sintetizados ou modificados a partir
de polímeros com grupos carboxílicos ionizáveis [50]. Em um pH baixo como o do estômago, o grupo
carboxílico permanece não-ionizável e insolúvel. No intestino, o pH aumenta para 5, permitindo que o
grupo carboxílico do polímero se ionize e dissolva, liberando o medicamento de interesse no local. A
natureza de ionização desses materiais é dependente do número de grupos carboxílicos e do caráter
dos ácidos na molécula [49]. Dessa forma é possível escolher um polímero com um pH de dissolução
para uma liberação especifica.
Os principais representantes desses tipos de polímeros são os acrílicos e metacrilatos, dada a
quantidade de copolímero que pode ser obtido dos seus monômeros e sua natureza multifuncional e
biocompatibilidade [51]. Esses materiais comercializados como Eudragit® são de vários tipos como
27
Transições de fase em colóides
Capítulo 1
Eudragit L100-55, Eudragit L100, Eudragit L30D, Eudragit NE 30D, Eudragit RS PO, Eudragit RL
PO [52]. Os mais usados são os Eudragit S e L, principalmente para liberação controlada no cólon. A
solubilidade do Eudragit L e S em pH superiores a 6 e 7 respectivamente. Na Fig. 13 é mostrada a
estrutura de Eudragit L-100 com grupos carboxílicos aniônicos com diversas aplicações nas áreas
farmacêuticas como mostra o número crescente de trabalhos publicados nos últimos anos [53-56]. Em
meio ácido, a permeabilidade desses materiais é baixa como devido à alta atração intermolecular.
Ligações de hidrogênio entre os grupos hidróxido e carboxila aumentam a compactação do polímero e
diminuem a porosidade [57]. Em pH acima de 6, o Eudragit L-100 começa dissolver devido à
ionização do grupo carboxílico permitindo a penetração do solvente. Esse mecanismo garante proteção
do fármaco em pH baixo.
Figura 13-Estrutura do Eudragit L-100 com R1=R3=R4=CH3 e R2=H
Polímeros com essas características são bem vindos nas áreas farmacêuticas, dada a grande
quantidade de medicamentos que, quando expostos ao suco gástrico, causam irritação no estômago e
até mesmo infecção em suas paredes, como é o caso da aspirina relatado em diversos trabalhos na
literatura [58-59]. Nesta dissertação, a aspirina é encapsulada pelo polímero Eudragit L-100 e
caracterizada pela espectroscopia de impedância (EIS) e espectroscopia de fluorescência com o
objetivo de analisar o perfil de liberação da mesma.
28
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
Capítulo 2
Técnicas experimentais
2.1 Espectroscopia de Impedância Elétrica
A técnica de espectroscopia de impedância tem sido historicamente aplicada ao estudo de
reações eletroquímicas, soluções iônicas, semicondutores, materiais dielétricos, entre outros [60]. O
uso dessa técnica tem crescido consideravelmente nos últimos anos, como podemos perceber pelo
crescente número de publicações [61-65] e a implementação de avanços tecnológicos que
contribuíram para o estabelecimento da técnica [66-67].
A origem da espectroscopia de impedância é datada do final do século XIX pelos trabalhos de
Oliver Heaviside voltados para aplicação na engenharia elétrica, especificamente no desenvolvimento
do telégrafo e na teoria de circuitos elétricos, quando o mesmo foi capaz de introduzir uma
extraordinária matemática para a análise de circuitos, solucionando o grande dilema de sua época;
resolver equações diferenciais - integrais que sempre surgem em circuitos contendo resistores,
capacitores e indutores. Heaviside introduziu inicialmente as transformadas de Laplace (e
posteriormente a transformada de Fourier) em problemas deste tipo, transformando as equações
diferenciais-integrais em equações algébricas de mais fácil resolução [68]. Agindo assim, problemas
no domínio do tempo são resolvidas através de equações algébricas no domínio da freqüência (s) de
Laplace. Com essa matemática, Heaviside foi capaz de introduzir conceitos importantes como
capacitância, indutância e impedância dentro da engenharia elétrica.
No campo da física básica, os primeiros trabalhos na caracterização de materiais por
espectroscopia da impedância foram realizados por Nernst ao aplicar uma ponte Wheatstone para
medir constantes dielétricas de soluções eletrolíticas e de fluidos orgânicos e por Finkelstein que
estudou a resposta dielétrica de óxidos [69]. Com isso a EIS ganhou força e se tornou uma ferramenta
de caracterização em diversas áreas, tais como estudo de membranas, suspensão sanguínea, tecidos
biológicos, reações eletroquímicas em interfaces, corrosões, sistemas coloidais, entre outros.
29
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
Em termos teóricos e de análises de dados (modelos), os trabalhos de Warburg sobre a
impedância em processos difusionais e a introdução da analogia entre a resposta de sistemas e
circuitos equivalente representaram um passo importante na descrição de diferentes materiais [70]. Os
modelos de circuitos equivalentes são uma representação dos sistemas que permitem associar os
elementos ou o próprio circuito a processos físico-químicos.
Outros autores buscaram entender os dados além da representação de circuitos, sugerindo
diversas relações entre grandezas complexas que definem as dispersões. Neste sentido, o trabalho dos
irmãos Cole (R. S. Cole e K. S. Cole) descreve a constante dielétrica em um plano complexo (modelo
de Cole-Cole) [69] e introduz o termo conhecido como elemento de fase constante (CPE) que descreve
a relação entre o expoente da freqüência com o ângulo de fase constante. Ao longo dos anos,
diferentes relações como as de Kramers-Kronig, Maxwell-Wagner e Burgeman–Hanai foram
aplicadas para validar medidas em dielétricos [68-70].
Dessa forma, o tratamento de dados dentro da EIS caminha na direção de circuitos
equivalentes e de modelos de dispersões em dielétricos a partir das relações envolvendo a constante
dielétrica complexa.
Princípios da EIS
O princípio fundamental da espectroscopia de impedância é a aplicação de um estímulo
elétrico (tensão ou corrente conhecida) entre os eletrodos dispostos em uma amostra de interesse e a
observação da resposta (corrente ou tensão resultante) [6]. Este estímulo é tipicamente um potencial
elétrico periódico no tempo na forma senoidal (cossenoidal) com uma pequena amplitude de oscilação.
Este método possibilita que o sistema seja perturbado com o emprego de pequenos valores do
potencial elétrico, de forma a tornar possível a investigação de fenômenos próximos ao estado de
equilíbrio (sistemas lineares) [71]. Em um sistema linear, o estímulo e a resposta são proporcionais
entre si e caracterizados por uma relaxação na qual tipicamente a resposta apresenta um atraso quando
o estimulo é alterado [72].
A perturbação (estímulo) é feita em diferentes frequências (tipicamente na faixa de 10 µHz 10GHz) o que provoca uma resposta no sistema na forma de corrente alternada (AC) de natureza
30
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
senoidal (cossenoidal). Nessa faixa de frequência podemos afirmar que a espectroscopia de
impedância é usada pra estudar processos de reorientação dos dipolos permanentes de um dado
sistema que é caracterizado pela relaxação dielétrica em meios de desprezível ou pouca condução
elétrica [6]. A relação estímulo/resposta, ou seja, a relação entre potencial aplicado e resposta é
caracterizada pela impedância e pela defasagem da resposta ao estímulo (ângulo de fase) que define a
relaxação. A partir desses dois parâmetros, o sistema é caracterizado conforme soluções gerais de
circuitos de corrente alternada.
A impedância de um circuito elétrico mede o impedimento que diferentes elementos (resistor,
capacitor, indutor e outros) podem oferecer à passagem de corrente alternada. Em termos da energia,
podemos definir um resistor como um elemento que dissipa energia elétrica na forma de calor e que
está relacionado ao transporte de cargas elétricas em um dado meio. Um capacitor é definido como um
elemento que impede a circulação da corrente elétrica devido ao armazenamento periódico da energia
devido ao acúmulo de cargas em dada região do sistema. Já um indutor armazena a energia em campo
magnético [60]. A impedância de cada elemento é chamada de reatância e são funções da frequência,
sendo definida em termos do potencial elétrico e da corrente elétrica no domínio do tempo na forma da
Eq.5 [72].
5
onde Z(t) é a impedância, V(t) o potencial elétrico i(t) a corrente elétrica e t é o tempo.
Aplicando a transformada de Laplace, a impedância pode ser definida pela Eq. 6:
com
ea
sendo, respectivamente, o potencial e a corrente no domínio s.
31
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
Para entender esse conceito, vamos determinar a impedância dos elementos resistor, capacitor
e indutor aplicando as seguintes transformadas
frequência é feita fazendo
Euler) onde
e
e
. A transformada no domínio da
(esse termo surge da escrita da corrente alternada no formalismo de
é a frequência angular. Usando esse tratamento, podemos agir de forma a
apresentar a impedância como uma grandeza complexa no domínio do tempo em que a diferença de
potencial no capacitor, resistor e indutor são dados, respectivamente, pelas Eq. 7 a 9:
Aplicando a transformada de Laplace nestas equações obtemos:
Aplicando a definição de impedância no domínio da frequência e definindo que
, a
impedância (ou reatância) associada a cada elemento no domínio da freqüência pode ser escrita como
mostrado na Tabela 2:
Elemento
Resistor
Impedância no domínio s
Impedância no domínio ω
R
R
Capacitor
Indutor
Tabela 2- Elementos de circuito com suas respectivas impedâncias
32
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
Fazendo uso dessas transformadas, é possível descrever circuitos elétricos usando o conceito
de impedância equivalente conforme a disposição dos elementos no circuito. Fazendo o tratamento no
domínio da frequência, a impedância será uma grandeza complexa escrita em sistemas de eixos
ortogonais separada em parte real e imaginária, ou seja;
onde Z’ e Z’’ são, respectivamente, a parte real e imaginária da impedância.
Usando a relação de Euler, a equação pode ser rescrita na forma
onde
e
é o ângulo de fase relacionado à defasagem entre corrente e
o potencial.
As duas últimas equações formam a base para os dois métodos de apresentação e análise. O
primeiro, chamado de diagrama de Nyquist, é descrito pela relação entre Z” e Z’, enquanto que o
segundo é chamado de diagrama de Bode, descrevendo a relação
versus
. Ambos são
necessários para descrever características diferentes de uma medida. No diagrama de Nyquist, cada
ponto representa a impedância em dada frequência. Essa forma de apresentar os resultados da medida
é capaz de dar informações sobre os elementos elétricos que caracterizam o sistema, tendo portanto
uma relação com o modelo de circuitos equivalentes. Já o diagrama de Bode fornece informações
sobre processos de relaxação que ocorrem em uma dada frequência chamada de frequência de
relaxação.
Esses dois diagramas fornecem parâmetros fundamentais para um dado sistema obtido
mediante aplicação de modelos de circuitos elétricos ou matemáticos [60]. Esses parâmetros podem
ser classificados em duas categorias: a) aqueles pertinentes ao material em si (propriedades do
volume), tais como condutividade, constante dielétrica, mobilidade de cargas, concentração de
equilíbrio de cargas, taxa de geração/recombinação de cargas, b) aqueles pertinentes à interface entre o
33
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
material e o eletrodo (propriedades interfaciais), tais como capacitância da região interfacial,
coeficiente de difusão, injeção e acumulação de carga [71].
Para melhor compreensão desses diagramas, a seguir vamos apresentar a impedância de um
circuito RC em paralelo e obter as informações necessárias desse circuito nos dois diagramas. Esse
circuito é mostrado na Fig. 14 e sua impedância calculada diretamente pela substituição das reatâncias
na Eq. 15 determinada utilizando a Tabela 2. Em termos de análise esse circuito é extremamente
importante na caracterização das propriedades superficiais dos materiais.
Figura 14- Circuito RC em paralelo.
Dessa forma
onde
é
definido como o tempo característico do circuito que está relacionado com
frequência de relaxação.
O diagrama de Nyquist e de Bode típico para esse circuito são mostrados na Fig. 15. Em ω=0
a impedância total é Z=R e para ω→∞ tem-se que Z=0. A capacitância C desse circuito caracteriza o
acúmulo de cargas na interface eletrodo/eletrólito e R a resistência ao fluxo de cargas nessa interface.
34
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
Figura 15-Diagramas de Bode e Nyquist para um circuito RC em paralelo representando
sistemas com um único tempo característico.
Uma característica fundamental neste sistema é o fato de ser a frequência de relaxação
interfacial proporcional ao inverso do tempo RC. Ela fornece informações sobre as orientações de
moléculas e como a molécula reage ao potencial aplicado. Portanto cada circuito do tipo RC em
paralelo caracteriza uma família de moléculas com o mesmo tempo de relaxação. Assim, se em um
meio há moléculas com características distintas, teremos diferentes tempos característicos e dessa
forma a resposta do sistema será a soma de diferentes circuitos RC em paralelo, como descrito pela
relação de Maxwell-Wagner, discutida adiante.
Elementos de Circuitos Equivalentes
Uma das vertentes da espectroscopia de impedância na análise dos dados consiste em traçar
paralelos entre a resposta de uma dada amostra com a resposta que um circuito elétrico conhecido
oferece a um estímulo. Esse paralelo é possível tendo em conta que a assinatura de uma amostra é
descrita por equações matemáticas que se aproximam das equações que descrevem um circuito
elétrico. Nesse caso, é essencial associar um processo físico-químico a um elemento do circuito ou, se
necessário, a um circuito elétrico. Para isso se faz necessário separar o circuito em duas componentes
distintas. Uma parte do circuito é relativa às propriedades de volume enquanto que a outra se refere às
propriedades interfaciais.
35
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
As propriedades do volume normalmente são descritas por uma resistência elétrica do volume
(RB) associada ao transporte elétrico no meio. Essa resistência descreve a dissipação de energia na
forma de calor, barreiras de potencial, condutividade eletrônica ou iônica no volume do sistema.
Quanto às propriedades interfaciais, há a necessidade de mais de um elemento para descrever
o comportamento da interface. Dentre eles podemos citar: capacitância de dupla camada (C dl),
elemento de fase constante (CPE), resistência de transferência de carga (Rct), elemento de Warburg
(Zw), entre outros. Os dois primeiros elementos estão relacionados a processos de polarização
molecular ou iônica que ocorrem na interface, enquanto que os dois últimos estão relacionados à
cinética de molécula na interface devido ao fluxo de íons e a difusão de massa na mesma.
Como sabemos, a capacitância de dupla camada elétrica (Cdl) surge na interface
eletrólito/eletrodo devido à distribuição de cargas elétricas na mesma. Para entender o comportamento
da dupla camada elétrica, mostramos na Fig. 16 a distribuição de íons em solução. Próximo à
interface, temos cargas ligadas sobre a ação do potencial aplicado (camada de Helmholtz). Em regiões
mais distantes da interface, os íons são ditos semi-ligados e distribuídos de forma difusa na camada de
Gouy-Chapman. Os íons livres estão distribuídos no volume da solução e são responsáveis pela
condutividade iônica que está associada à resistência do volume, como mencionado anteriormente
[72].
Fig. 16-Distribuição de íons em solução mostrando diferentes camadas representativas.
A camada de Helmoltz é pronunciada no regime de baixa agitação térmica onde as cargas
estão sobre ação do potencial do eletrodo e uniformemente distribuídas na interface formando um
típico capacitor de placas paralelas [74]. Sob o efeito da agitação térmica as cargas passam a ser
36
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
distribuídas conforme a distribuição de Boltzmann na camada de Gouy-Chapman, e os efeitos da
temperatura passam a ser relevantes. O potencial eletrostático V(x) devido a essa configuração é dado
pela equação de Poisson.
onde
é a densidade de íons na camada de Gouy-Chapman e
é a permissividade dielétrica do
meio.
A densidade de íons
pode ser determinada levando em conta que os íons estão
distribuídos conforme a distribuição de Boltzmann, com C dado pela concentração de íons próxima ao
eletrodo, Coi dado pela concentração de íons na solução, zi valência do íon i e e a carga do elétron:
Assim, a densidade pode ser escrita na forma
A Eq. 19 é conhecida como distribuição de Gouy-Chapman. Substituindo essa equação na
equação de Poisson chegamos à equação de Poisson-Boltzmann.
A solução desta equação nos conduz à definição da capacitância de dupla camada elétrica.
Para o caso de z+=z- Co+=Co- ou seja, íon com a mesma valência e concentração, a capacitância de
dupla camada elétrica tem a forma descrita na Eq. 21[75-76].
37
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
onde
é o inverso do comprimento de Debye segundo o modelo de Debye-Huckel, V(0)
em x= 0 relativo ao potencial no volume V(x)=0 em x→∞ e A a área do eletrodo.
Para o caso de
,
podemos supor que a carga total da camada de Gouy-
Chapman está distribuída formando um capacitor de placas paralelas com distância igual ao
comprimento de Debye [76]. A descrição da capacitância de dupla camada permite com que transições
do ponto Krafft sejam mapeadas, como será mostrado no Capítulo 3.
Outros dois elementos importantes na descrição de processos interfaciais são a resistência de
transferência de carga (Rct) e o elemento de fase constante (CPE). A Rct está relacionada ao fluxo de
portadores na interface eletrodo/eletrólito devido a uma reação eletroquímica do eletrodo com o
eletrólito (corrente Faradáica) ou por conta do movimento de íons na interface quando um potencial é
aplicado [77-79]. Já o CPE é puramente não-intuitivo, uma vez que foi desenvolvido no sentido de
descrever os desvios nos processos de polarização interfacial, isto é, desvio na capacitância de dupla
camada elétrica. As principais razões para esse desvio são os efeitos da rugosidade ou da nãouniformidade das propriedades interfaciais eletrodo-eletrólito, tais como saliências, subcamadas, nãohomogeneidade de cargas elétricas, espécies absorvidas e variações na composição e na
estequiometria [80]. Esses efeitos provocam diferente grau de polarização interfacial descrito pelo
expoente n da Eq. 22. A equação abaixo descreve a impedância de um elemento de fase constante, na
forma
sendo n relacionado com o ângulo de fase na forma
com valores -1≤ n ≥1 e
a constante de
proporcionalidade (pseudo-capacitância).
38
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
É importante perceber que, a depender do valor de n e da constante A0, o elemento de fase
constante pode descrever alguns dos elementos já discutidos anteriormente, como mostra a Tabela 3.
Valores
Elemento Nome
Constante
de n
0
Descrição
Ao
R
Resistência
R
Transferência de energia na forma de
calor
1
C
Capacitância
Energia armazenada no campo
elétrico
-1
L
Indutância
L
Energia armazenada no campo
magnético
0+ε
R/L
Resistência/Indutância
R/L
Resistência distorcida associada à
Condutância da nuvem iônica ou
relacionada com energia magnética/
eletrostática
1-ε
C
Capacitância
Desvio da capacitância devido
distribuição/acúmulo de cargas ou
rugosidade na superfície do eletrodo.
1+ε
L
Indutância
L
Distorção da indutância
Tabela 3. Elemento de Fase Constante (CPE) para diferentes valores de n com ε=0.2,
conforme referência [81].
Um caso especial de CPE de grande significado físico é o chamado elemento de Warburg (ZW)
que está relacionado a processos difusionais cujo n=0.5 e a constante A0 diretamente ligada ao
coeficiente de difusão da 2ª lei de Fick [82] descrita pela Eq. 23 no caso de difusão unidimensional
com as seguintes condições de contorno:
39
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
onde
é a concentração de espécies i no ponto x e no tempo t,
espécie i,
a concentração de espécie na interface e
é o coeficiente de difusão da
é a concentração no volume da solução.
Aplicando a transformada de Laplace nas condições de contorno e na Eq. 23
Com um pouco de manipulação matemática a solução desta equação diferencial é:
Usando essa solução, podemos encontrar a densidade de fluxo iônico em um meio quando o
mesmo está sujeito a um potencial V. O fluxo terá uma contribuição da difusão e da migração de íons
por conta do potencial V. A densidade de fluxo iônico será dada pela Eq. 26.
Difusão
Migração de espécies carregadas
sendo F a constante de Faraday, Zi a carga do íon, R a constante universal dos gases e T a temperatura
absoluta.
Nesse sentido, a corrente que passa pela área de um eletrodo será a soma de todos os íons,
conforme a Eq. 27.
Considerando que em uma determinada condição só exista o fluxo de íons no eletrodo devido
à difusão teremos:
40
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
O termo
pode ser encontrado a partir da Eq. 25. Assim:
Usando s=jω, a Eq. 29 passa para o domínio da freqüência e considerando que os termos desta
equação são independentes do tempo, a transformada inversa de Laplace será:
Substituindo a Eq. 30 na Eq. 28 e tendo em conta a definição da Eq. 5, por fim a impedância
do elemento de Warburg é:
sendo
a capacitância de Warburg, onde V é o potencial aplicado no
eletrodo.
Modelo de circuitos equivalentes
A partir da associação dos elementos é possível formar circuitos que propiciem o adequado
ajuste à resposta de um dado sistema. Com relação ao comportamento de soluções iônicas, coloidais,
sólidos e processos do tipo oxidação e difusão, o circuito de Randles (Fig. 17) e suas modificações são
usados geralmente como circuitos equivalentes para ajuste.
No circuito de Randles as interações de superfície (interface eletrodo/eletrólito) são mapeadas
pelo Rct e Cdl, que descrevem fenômenos tais como acúmulos de carga, correntes faradáicas e
processos de relaxação, enquanto o comportamento do volume é descrito por RB. Os fenômenos de
41
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
superfície são decorrentes de várias causas, como por exemplo, injeção e acúmulo de cargas na
superfície e efeito faradáicos. O diagrama de Nyquist este circuito corresponde a um semicírculo cujos
limites ω → o e ω → ∞ descrevem os valores de RB, Rct e Cdl conforme a Fig. 17.
Figura 17- Circuito de Randles com seu diagrama de Nyquist.
Modificações neste circuito de Randles devem ser feitas para interpretar fenômenos que
ocorrem na interface. Vamos citar duas dessas modificações que serão usadas durante essa dissertação
de mestrado. Na Fig.18 é mostrado um circuito com um acréscimo do elemento de Warburg em série
com a resistência de transferência. Esse circuito descreve uma polarização devido à combinação de
processos cinéticos e de difusão com espessura infinita [81].
Figura 18- Circuito de Randles modificado para processos de difusão de dimensão infinita.
42
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
Outra modificação feita é aquela mostrada na Fig. 19, na qual um elemento de fase constante
(CPE) é inserido no circuito de Randles para descrever processos de absorção não uniforme de
espécies na superfície do eletrodo [81].
Figura 19 - Circuito de Randles modificado para processos não-uniforme de absorção na
interface.
Outras modificações podem ser feitas neste circuito com intuito de descrever diferentes
propriedades dos materiais. Circuitos como esses representam uma boa forma de analisar o
comportamento de materiais dielétricos e sistemas coloidais que são objeto de estudo dessa dissertação
de mestrado. As transições discutidas no capítulo 3 são bem representadas a partir do circuito da Fig.
19.
43
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de Impedância
Modelos dielétricos- Modelo de Maxwell-Wagner
Além da analogia com circuitos equivalentes, os materiais dielétricos podem ser descritos com
modelos de dispersão usando a permissividade elétrica complexa do sistema como parâmetro e
considerando que estes materiais são formados por partículas de um material com permissividade
dispersas em um meio com permissividade
. As características e a fenomenologia dos sistemas são
tratadas a partir de funções de distribuição, como por exemplo, uma distribuição de tempo
característico para processos de relaxação interfacial. Essa forma de tratar sistemas é de grande
interesse em soluções aquosas, já que a presença de estruturas mesoscópicas promove um considerável
aumento na razão superfície/volume e consequentemente nos efeitos interfaciais. Com isso, se tem a
formação de uma dupla camada elétrica na interface eletrólito/eletrodo e polarização interfacial no
volume descrita por Maxwell-Wagner [83-85].
A equação de Maxwell-Wagner descreve a relação entre a permissividade complexa do
sistema (
sendo
), das partículas dispersas ( ) e do meio ( ) de acordo com a Eq. 32
a fração volumétrica de uma suspensão de partículas esféricas em uma solução randômica
diluída de espécies p.
O processo de relaxação interfacial descrito por Maxwell-Wagner é caracterizado pela
circulação de corrente na interface entre dois ou mais dielétricos diferentes [86]. A resposta dielétrica
da interface é representada por uma associação em série de circuitos R-C em paralelo, com impedância
resultante dada pela Eq. 33 [87], na forma
sendo
o tempo característico definido para cada par de resistores e capacitor
.
Cada tempo característico de um conjunto de moléculas está relacionado a uma relaxação
44
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
interfacial. Isso significa que quanto mais tempos característicos forem necessários para descrever um
sistema, mais complexo se torna o circuito equivalente, já que podemos associar cada tempo
característico à presença de uma espécie com a relaxação típica descrita por um circuito RC em
paralelo. Em sistemas coloidais como de surfactantes não-iônico, esse tratamento é útil dada à
presença da estrutura esférica de seus agregados e de efeitos de polarização de suas moléculas. Com
isso, a transição do ponto de névoa foi caracterizada em termos do modelo de Maxwell-Wagner
(discutido no capítulo 3).
2.2. Espectroscopia de absorção na região do UV-Vis
A espectroscopia na região UV-Vis é uma técnica útil tanto em análises quantitativas quanto
qualitativas. Na análise quantitativa, essa técnica é capaz de fornecer a concentração em solução de
uma substância conhecida. Na análise qualitativa, ela permite a identificação de grupos funcionais que
compõem uma determinada substância. Seus fundamentos são baseados na interação da radiação na
faixa do UV-Vis (comprimento de onda de 100 – 800 nm) com a matéria. Essa interação envolve a
absorção de quantidade discreta de energia (fóton de energia E=hf com h =6.63.10-34 J.s sendo a
constante de Planck e f a frequência característica da radiação) da radiação pela substância. Essa
interação está esquematicamente representada na Eq. 34:
M + hf
M*
Eq. 34
Uma espécie atômica ou molecular M absorve uma energia hf da radiação ultravioleta ou
visível. Nesse processo há excitação eletrônica e a formação da espécie M*. O tempo de vida da
espécie excitada é breve (10-8 a 10-9s), sendo sua existência determinada por um dos vários processos
de relaxação [88]. Os tipos mais comuns de relaxação são a conversão da energia excitada na forma de
calor, na re-emissão, fluorescência ou fosforescência ou em uma reação fotoquímica (formação de
uma espécie química). É importante ressaltar que o tempo de vida da espécie excitada M* é
extremamente curto, o que significa que a concentração dessas espécies em qualquer instante é
desprezível. Com isso se tem mínima perturbação no sistema, exceto no caso de reações fotoquímicas.
45
Transições de fase em colóides
Espectroscopia UV-Vis
A excitação eletrônica geralmente acontece em elétrons de ligação (elétrons π, σ, n, d e f). Isso
proporciona a identificação do tipo de ligação e, como conseqüência, de grupos funcionais da
substância. A determinação da concentração de substâncias conhecidas é conduzida pela lei de
Lambert-Beer, que estabelece a relação entre a concentração e a absorção do sistema em estudo. O que
se verifica é que para um dado limite experimental esta relação é linear. Esse limite é respeitado
quando as moléculas que absorvem a radiação não interagem umas com as outras. Isso significa dizer
a lei de Lambert-Beer é válida no limite de baixas concentrações.
A partir de uma variável conhecida como absorbância, que mede a quantidade de radiação
absorvida, a concentração pode ser determinada através de um ajuste linear usando instrumentação
cujo o esquema experimental composto por lâmpada de tungstênio e deutério,lente, obturador, fenda,
grade de difração e detector é mostrado na Fig. 20 . Assim a lei de Lambert-Beer pode ser escrita na
forma da Eq. 34.
onde
é o coeficiente de absorvitividade molar,
a concentração da substância em
análise e é o caminho óptico (largura da cubeta).
Portanto a espectroscopia de absorção no UV-Vis possibilita determinar diferentes
características de sistemas tais como concentração, ligações químicas, agregação molecular e interação
entre diferentes moléculas. Nesta dissertação, a técnica de UV-Vis foi usada para determinar o
rendimento de extração de colóide de prata pelo método de extração por ponto de névoa.
46
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
Figura 20- Esquema do espectrofotômetro
2.3 Espectroscopia de fluorescência
Assim como na medida de absorção na região do UV-Vis, a espectroscopia de fluorescência
está baseada na interação da matéria com a radiação eletromagnética com alto grau de sensibilidade.
Essa técnica é largamente utilizada na bioquímica, biofísica e ciência dos materiais em processos que
vão desde os analíticos até identificação de padrões celulares [89]. A medida da intensidade de
fluorescência é um método rápido e adequado para determinação de um grande número de
substâncias, como vitaminas, riboflavonóides e complexo de urânio [90].
No caso da fluorescência temos que a espécie excitada M* reemite uma radiação com energia
menor, ou seja, em um comprimento de onda maior que o da radiação absorvida. Duas características
são essenciais dentro da espectroscopia de fluorescência: o comprimento de onda em que uma dada
substância absorve (comprimento de onda de excitação) e o comprimento de onda onde a substância
emite (comprimento de onda de emissão).
Uma molécula ao absorver radiação tem os estados eletrônicos modificados (os elétrons que
absorvem a radiação são excitados do estado fundamental para um excitado), e relaxa novamente para
47
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de fluorescência
o estado fundamental por diversos processos como conversão de calor, fluorescência, fosforescência,
fotoquímicos, entre outros como mostra Fig. 21. O processo de relaxação por fluorescência tem um
tempo de vida muito curto (~10-8s) e envolve transições dos elétrons singleto (elétrons com spin
emparelhados) excitados para o singleto no estado fundamental.
Figura 21-Processos de relaxação em transições eletrônicas.
A absorção da radiação por uma molécula de nível vibracional no estado eletrônico
fundamental para outro nível vibracional do estado eletrônico excitado se dá geralmente no primeiro
estado excitado singleto descrito pelo processo 1 na Fig. 21. Um elétron da molécula pode retornar ao
estado fundamental através de processos radiativos e não-radiativos, como mostrados na Fig. 21.
Processos não-radiativos ocorrem quando o elétron que está em um elevado nível vibracional do
estado excitado cai para um nível vibracional de menor energia do estado excitado por transferência de
energia não-radiativa devido a interações com outras moléculas de mesma natureza e com o solvente,
na forma de calor (esse fenômeno também pode ocorrer no estado fundamental como mostra o
processo 4 na Fig. 21). Uma vez nesse nível vibracional, o elétron pode transferir uma energia não
radiativa para vizinhança e saltar para o estado fundamental de mesma multiplicidade devido à
sobreposição de níveis vibracionais do estado excitado com níveis vibracionais (processo 6). O
48
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
mecanismo pode ocorre entre os estados singletos excitados e tripleto excitado (processo 5 ). Já
processo de decaimento radiativo ocorre após uma relaxação vibracional, quando a molécula de
elétrons singleto retorna do estado excitado ao estado fundamental exibindo fluorescência (processo 2)
ou quando moléculas de elétrons tripletos retornam ao estado fundamental apresentando
fosforescência (processo 3).
Desta discussão, obtemos que a energia do fóton fluorescente é sempre menor que a energia
absorvida e dada por:
onde
é a energia do fóton emitido,
é a energia absorvida e a
é a energia transferida
para moléculas da rede.
O pico de fluorescência sempre ocorre em um comprimento de onda maior que o do pico de
absorção (pico de excitação). Como já foi dito, nem sempre a uma molécula apresenta fluorescência
quando os elétrons do nível excitado retornam ao estado fundamental. O parâmetro que fornece essa
informação é o rendimento quântico Q, que é razão entre o número de fótons emitidos e o número de
fótons absorvidos. Se essa razão estiver entre 0.1 e 1, a molécula é considerada fluorescente. O
rendimento quântico de algumas moléculas fluorescentes é mostrado na Tabela 4 [90]. Diversos
fatores contribuem para o rendimento quântico, e podem ser de origens internas ou externas. Os
fatores internos são referentes à configuração dos níveis de vibração dos estados excitados e
fundamental como, por exemplo, no caso do nível vibracional mais baixo do estado excitado ter a
mesma energia que um nível vibracional do estado fundamental: como isso pode ocorrer transferência
de energia e posterior conversão de calor quando o elétron retornar ao estado fundamental sem
emissão de radiação [91]. Os fatores externos são frutos da interação da molécula fluorescente com
compostos e da mudança na temperatura, pH e concentração cujo efeito suprime a fluorescência da
molécula.
49
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de fluorescência
Substância
λex (nm) λem (nm) Solvente
Q
Fonte
Fenilalanina
260
282
Água
0.02
[90]
Tirosina
275
304
Água
0.14
[90]
Tryptofano
295
353
Agua
0.13
[90]
Fluorescina
496
517
0.1M NaOH
0.95
[92]
Rodamina 101
450
600-650
Etanol
1.0
[92]
Rodamina 6G
488
555
Água
0.95
[92]
Rodamina B
514
625
Água
0.31
[92]
Tabela 4- Rendimento quântico de alguns corantes e aminoácidos.
Com isso, podemos concluir que a técnica de fluorescência usa os espectros de emissão e
excitação para analisar e interpretar os resultados na busca de padrões como deslocamento do pico de
emissão, aumento da intensidade de fluorescência e supressão da fluorescência. Com essa
identificação é possível obter informações como conformação da molécula e suas interações com
solventes [91]. Na Fig. 22 é mostrado um espectro de emissão e excitação típico do corante rodamina
B, cuja molécula possuem grupos aromáticos garantindo a essa um alto rendimento quântico podemos
ver na Tabela 4.
Figura 22- Espectro de excitação e emissão da rodamina B em água. Em azul o espectro de exicitação
com pico em λex=554 nm. Em violeta o espectro de emissão com pico em λem=579 nm.
50
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 2
A análise quantitativa pode ser feita tendo em conta que a intensidade de radiação emitida F é
descrita pela Eq. 37.
onde Q é a eficiência quântica do sistema,
é a intensidade da radiação excitada,
é a absorvitidade
molar b é o comprimento da cubeta e c é a concentração amostra.
A instrumentação para medida de fluorescência é composta basicamente por fonte de radiação,
monocromador, fendas, compartimento da amostra, fotomultiplicadora e detector de fluorescência
como mostra a Fig. 23.
Figura 23- Esquema do espectrofluorímetro
A fonte pode ser uma lâmpada de xenônio, laser, LED e diodo Laser que forneça comprimento
de onda de 200nm a 1100nm [92]. O monocromador é o filtro cuja função é permitir a passagem de
radiação de um único comprimento de onda para o compartimento da amostra, geralmente é composto
por um prisma ou uma rede de difração. O compartimento com a amostra é uma cubeta de sílica
fundida ou quartzo [93] cujos lados são totalmente transparentes à radiação na faixa de comprimento
51
Transições de fase em colóides
Espectroscopia de fluorescência
de onda de estudo. Como na fluorescência se tem emissão de radiação em todas as direções, o detector
do espectrofluorímetro é perpendicular ao sinal incidente, diferentemente de um espectrofotômetro na
qual a radiação transmitida está na mesma direção que o sinal incidente. Essa precaução é tomada para
impedir que a contribuição do sinal de excitação seja detectada [93]. A fotomultiplicadora é um
detector foto-sensível que tem o papel de transformar o sinal emitido da fluorescência em corrente. A
montagem experimental do Espectrofluorímetro ISS PC1 usado ao longo dessa dissertação é mostrada
na Fig. 24.
A técnica de espectroscopia de fluorescência foi usada na caracterização do perfil de liberação
da aspirina encapsulada no polímero entérico Eudragit L-100 no capitulo 4.
Figura 24 - Montagem experimental do espectrofluorímetro.
52
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
Capítulo 3
Transições de fase induzidas por
temperatura em surfactantes
3.1 Ponto Krafft de surfactantes iônicos
Como vimos no capítulo 1, os surfactantes iônicos sofrem transições relacionadas a mudanças
na concentração, temperatura, pressão, entre outras. No que se refere à concentração, devido ao seu
duplo caráter, os surfactantes em uma dada concentração começam o processo de agregação formando
estruturas denominadas micelas. O efeito da temperatura é promover transições do tipo cristais
hidratados→monômeros→micelas (Fig. 25), caracterizando o ponto e a temperatura Krafft do
surfactante iônico. Essa transição apresentada no capitulo 1 é caracterizada por uma rápida mudança
nas propriedades físico-químicas, em particular a solubilidade. Transições desse tipo precisam ser
controladas em diversas situações práticas em que propriedades como detergência e solubilidades são
desejadas. Em certos processos de purificação do surfactante por recristalização, essas transições são
extremamente importantes. Portanto, estudar transições do tipo Krafft de diferentes surfactantes em
condições diversas é de grande interesse prático, dada a necessidade de escolha adequada do
surfactante.
Figura 25-Esquema das transições de fase do tipo Krafft em surfactante iônico
53
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
Na literatura, diversos trabalhos caracterizam essas transições por observação visual,
condutividade elétrica e pela curva de solubilidade [94-95]. Esse procedimento usa o conceito de que o
ponto Krafft é o ponto de interseção da curva de solubilidade versus temperatura com a curva da
CMC. Essa forma de tratar as transições tem poucos atrativos pois exige tempo e muita quantidade de
surfactante. Na observação visual, os pontos de transições (ponto e temperatura Krafft ) são medidos
sem a real compreensão dos processos que ocorrem na transição. Na medida por condutividade
elétrica, as propriedades elétricas de transporte são claramente modificadas nos pontos críticos e
decrevem curvas tipicamente sigmoidais nas quais, para temperaturas abaixo do ponto Krafft, a
condutividade é bem limitada pela supressão de portadores de carga que estão localizados nos cristais
hidratados, o que, em termos de solubilidade, caracteriza a ausência de espécies dissolvidas em
solução. Um aumento abrupto na condutividade ocorre quando se atinge o ponto como resultado do
aumento na concentração de cargas dissolvidas no meio e o início do processo de agregação molecular
do surfactante. Quando todos os cristais são dissolvidos na forma de micelas, a concentração de cargas
em solução se estabiliza e, consequentemente, a taxa de crescimento da condutividade versus a
temperatura diminui, o que é caracterizado pela mudança na primeira derivada, permitindo, assim a
identificação da temperatura Krafft. Nesse procedimento, transições são mapeadas ao medir a
condutividade iônica. No entanto outros mecanismos como difusão, polarização e relaxação são
importantes para compreender fisicamente essa transição.
A técnica de espectroscopia de impedância foi utilizada com intuito de caracterizar processos
interfaciais e de volume como capacitância de dupla camada, resistência de volume, decorrentes da
transição de diferentes surfactantes iônicos e de sal de bile em diferentes condições. Além disso a
influência de sais e de lipídios sobre os pontos críticos de surfactante foram analisados.
Neste dissertação, o ponto Krafft (PK) e a temperatura Krafft (TK) dos surfactantes iônicos
dodecil sufato de sódio (SDS), brometo de hexadeciltrimetilamônio (HDTAB), dodecil sulfato de lítio
(LiDS) e do sal de bile hiodoxicholato de sódio (HDC) foram determinados. Para SDS, HDTAB e
LiDS, a influência do cloreto de sódio (NaCl) sobre o comportamento da transição foi analisada. Além
disso, a influência do lípidio 1,2-dipalmitato-sn-glycero-3phosphoetanolamina (DPPE) nos pontos
54
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
críticos foi determinada. As concentrações utilizadas nos experimentos são mostradas na Tabela 4. É
importante notarmos que as concentrações estão todas acima da CMC dos respectivos surfactantes.
Essa
condição
é
considerada
para
assegurar
que
as
transições
do
tipo
cristais
hidratados→monômeros→micelas ocorram.
Surfactante
Concentração (mM)
CMC
Natureza
(mM)
SDS
100mM
8.39
Aniônico
HDTAB
50mM
0.92
Catiônico
HDC
50mM
14
Aniônico
LiDS
43mM
8.6
Aniônico
NaCl*
20mM
-
-
DDPE
0.217mM
-
-
Tabela 4- Concentrações usadas para estudos do ponto Krafft dos surfactantes. (*) Para O LiDS a
concentração usada foi de 150mM.
As amostras foram caracterizadas no medidor de impedância LCR 4263B Agilent (EUA) na
frequência de 100kHz com amplitude de potencial igual a 1V. Nesta etapa do trabalho os pontos de
Krafft e temperatura Krafft foram apenas medidos com o intuito de verificar como a técnica poderia
contribuir para o entendimento do processo.
Essas amostras foram preparadas usando água Mili-Q (18.2 MΩ) em um béquer de 50 ml
contendo 40ml de solução agitadas por cinco minutos. Depois dessa estapa todas as amostras foram
refrigeradas a uma temperatura de 4°C durante 24 horas para a completa formação dos cristais
hidratados. Após essa etapa, as amostras foram caracterizadas no medidor de impedância LCR usando
uma capacitor de placa paralelas de dimensões (21x20)mm2 dispostas a uma distância de 9mm. A
resposta elétrica em cada temperatura (medidas pelo termopar Minipa) foram registradas e as
diferentes curvas do admitância versus temperatura são mostradas na Fig. 26.
55
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
40
SDS
SDS/NaCl
HDTAB
HDTAB/NaCl
35
30
Y(mS)
25
20
15
10
5
TK=26,8°C
0
PK=24,3°C
5
10
15
20
25
30
35
Temperatura (°C)
Figura 26- Ponto krafft e temperatura Krafft de SDS e HDTAB na ausência e presença de cloreto de
sódio.
Os resultados descritos na Fig. 26 mostram o perfil da transição e confirmam que a técnica de
espectroscopia de impedância é uma ferramenta que permite caracterizar tais transições. Note que o
comportamento geral das curvas é o de uma sigmóide na qual cada transição pode ser associada a
mudanças na derivada, enquanto que que o efeito do cloreto de sódio afeta diferentemente a
solubilidade do SDS e do HDTAB: se para o SDS, o cloreto de sódio causa um aumento nas transições
de temperatura e no ponto Krafft, no HDTAB ocorre o efeito inverso. Esses processos são conhecidos
como “salting-in” e “salting-out” e serão discutidos adiante.
Esses primeiros resultados são bem convincentes quando comparados com os dados da
literatura, no entanto o significado físico de alguns processos são omitidos devido ao de que as curvas
representarem a contribuição de diferentes processos, tais como interface eletrodo/eletrólito e volume
das amostras.
56
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
Com o intuito de separar os processos de interface dos efeitos volumétricos, a sequência do
trabalho teve por objetivo mapear o comportamento elétrico em diferentes frequências com a parte real
e imaginária da impedância determinada, tendo em vista a representação do espectro na forma de
diagrama de Nyquist, visualizado na região linear em baixa frequência (processos de difusão iônica e
de absorção de espécies) e no semicírculo (processos de relaxação) [81]. Usando a montagem e o
esquema experimental ( mostrados nas Fig. 27-28, respectivamente), composta pelo medidor de
impedância Solartron 1260 juntamente com a interface dielétrica 1296, aplicamos o potencial de
10mV (sem polarização externa) e a frequência variando na faixa de 1Hz até 1MHz. Em cada
experimento, duas placas de aço inoxidável com dimensões de (20x5) mm2 dispostas paralelamente a
uma distância de 17 mm foram introduzidas em um béquer de 25 mL contendo 20 mL da solução de
interesse. As medidas da impedância foram realizadas sob condição de agitação constante para
garantia da uniformidade das soluções e controle térmico rigoroso por um banho térmico. Todos os
dados foram registrados por meio de automatização em um computador interligado a montagem
experimental com ajuda do programa Smart (Solartron) (Reino Unido). Uma pequena barra magnética
foi utilizada na montagem experimental para agitação, tendo cuidado sido tomado para que sua não
alterasse a medida.
Figura 27- Montagem experimental contendo o solartron 1260 em conjunto com a interface 1296
57
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
Figura 28-Esquema experimental para medidas usando espectroscopia de impedância elétrica
Na Fig. 29 é apresentada a resposta elétrica da solução aquosa de SDS em diferentes fases
(cristais hidratados, monômeros, micelas) para diversas temperaturas (no diagrama de Nyquist), que
consiste na formação de semicírculo que diminui com a elevação na agitação térmica. A diminuição
pode ser interpretada a partir da frequência de relaxação das espécies nos sistemas em diferentes
temperaturas. A frequência de relaxação está relacionada com o máximo do semicírculo do digrama de
Nyquist e com o tamanho das espécies. No limite de baixas temperaturas, valores elevados de
impedância são causados pela presença de cristais hidratados gigantes e de cargas livres no meio. Com
o aumento da temperatura a impedância diminui, provocando o aumento da frequência de relaxação
como consequência da progressiva elevação da concentração de cargas livres. Todos os sistemas
estudados exibem essa característica.
58
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
2.5
3.8°C
8.5°C
13.4°C
14.2°C
15.3°C
16.7°C
18.4°C
21.5°C
2.0
-Z''(k
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Z'(k
Figura 29-Diagrama de Nyquist da solução de SDS em diferentes temperaturas.
Pelo diagrama de Bode (mostrado na Fig. 30), verifica-se a diminuição na parte real da
impedância na região de cargas livres (caracterizado pela impedância constante no intervalo de 1kHz a
100kHz), à medida que a temperatura aumenta. A taxa de decaimento da parte real da impedância
muda rapidamente quando se passa pela faixa entre o ponto Krafft e a temperatura Krafft (na Fig. 30
conforme ajuste de 14.2 a 18.4°C). Além disso, existe uma forte dependência da impedância do lado
esquerdo das curvas com a frequência sendo maximizado à medida que a temperatura aumenta. Esse
efeito no regime de baixa frequência tipicamente caracteriza o efeito de polarização na interface
eletrodo/eletrólito, que neste caso está associado com o aumento da difusão iônica no meio, isto é, à
medida que a temperatura cresce, há um aumento nas concentrações de espécies iônicas e com isso o
processo de polarização é maximizado. Dessa forma, os efeitos de polarização interfacial representam
um importante parâmetro em direção ao entendimento físico da transição do Krafft.
59
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
T=1.8°C
T=2.8°C
T=3.8°C
T=4.8°C
T=6.8°C
T=7.5°C
T=8.5°C
T=9.5°C
T=10.5°C
T=11.5°C
T=12.4°C
T=13.4°C
T=14.2°C
T=14.9°C
T=15.3°C
T=16.7°C
T=17.3°C
T=17.8°C
T=18.4°C
T=19.5°C
T=20.4°C
T=21.5°C
T=22.7°C
Z' (k)
1
0.1
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
Frequência (Hz)
Figura 30-Diagrama de Bode da solução de SDS para diferente temperaturas
Parâmetros como capacitância de dupla camada (Cdl), resistência de transferência de carga
(Rct), elemento de fase constante (CPE) e a resistência de volume (RB) são fundamentais para
descrever o ponto e a temperatura Krafft dos sistemas da Tabela 4. Para determinar esses parâmetros,
um ajuste teórico com uso de circuito equivalente foi feito com ajuda do programa Zview (Solartron).
O circuito com melhor ajuste foi o circuito de Randles modificado, mostrado na Fig. 31. Neste
circuito, os processos de polarização interfacial estão descritos pelos elementos Cdl , Rct, CPE,
enquanto que as propriedades do volume da solução tem no parâmetro RB sua descrição. Com relação
aos processos, os elementos Cdl e Rct são relacionados à camada de Gouy-Chapman, enquanto que o
CPE (pela faixa de valores encontrados dos ajuste 0.6-0.75) pode ser associado a processos de difusão
e absorção de espécies na interface.
Figura 31 - Circuito de Randles modificado usado no ajuste dos dados experimentais.
60
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
O ajuste do comportamento da solução aquosa de SDS em diferentes temperaturas é mostrado
pelas linhas contínuas apresentadas na Fig. 29 . Dado o bom ajuste teórico de todos os sistemas
analisados, vamos descrever o ponto Krafft e temperatura Krafft a partir dos elementos dos circuito de
Randles modificado. Na Fig. 32 é mostrado o comportamento da dupla camada elétrica Cdl para o
sistema com solução aquosa de HDTAB. Como detalhado no capítulo 2, a Cdl mede a separação de
cargas elétricas da dupla camada elétrica. Essa separação é dependente da temperatura, uma vez que é
função da energia térmica dos íons que estão dispersos segundo a distribuição de Boltzmann (Eq. 19),
conhecida como distribuição de Gouy-Chapman.
1E-8
TK
HDTAB
C dl(F)
1E-9
PK
1E-10
1E-11
0
5
10
15
20
25
30
Temperatura (°C)
Figura 32- Capacitância de dupla camada versus temperatura de solução aquosa de HDTAB.
Da Eq. 19 podemos ver que a densidade de cargas assume valores baixos para temperaturas
baixas e aumenta com a agitação térmica na condição de o potencial aplicado ser invariante. A
capacitância de dupla camada varia diretamente com a densidade de carga, como pode ser verificado a
partir do resultado mostrado na Fig. 32:
- Em temperaturas baixas, a densidade de carga é reduzida e a capacitância é também baixa, uma vez
que os íons estão localizados nos cristais hidratados, o que é caracterizado pela invariância na derivada
do lado esquerdo da curva.
- Com a agitação térmica, a densidade de cargas aumenta e a solubilização do surfactante proporciona
a separação de cargas (o que é indicado pela primeira mudança na derivada da curva no ponto Krafft)
61
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
até o limite de completa solubilização, quando as micelas têm estabilidade e a concentração de íons
livres atinge um valor fixo, situação caracterizada pela total solubilização dos cristais hidratados,
promovendo a segunda transição denominada temperatura Krafft (segunda mudança na derivada).
Portanto, o espectro pode ser dividido em três partes: a primeira, que caracteriza a resposta dos
cristais hidratados, a segunda, que é relativa à transição para espécies dissolvidas, e, por fim, a
distribuição de micelas. Outro fator importante é a análise da distribuição de cargas na dupla camada
elétrica. Considerando inicialmente o HDTAB como exemplo verificamos que a sua dissolução
implica em liberação de íons de bromo e íons do grupo cabeça amônio (
, com as
concentrações de cada íon também são iguais. Assim podemos usar a Eq. 21 descrita no capítulo 2.
Analisando o comportamento dessa curva podemos dizer que o aumento da concentração de
cargas no sistema causa a diminuição no comprimento de Debye, o que se reflete no aumento da
capacitância de dupla elétrica, já que sabemos que a capacitância é inversamente proporcional à
distância entre as placas de um capacitor. Com isso, vemos que a dupla camada pode representar uma
forma alternativa de determinar o comprimento de Debye do modelo de Debye-Huckel.
Na Fig. 33 é mostrado um comparativo entre o SDS e o HDTAB, onde podemos verificar que
as temperaturas de transição do SDS são menores que a do HDTAB. Isso pode ser interpretado pelo
caráter hidrofóbico dos sistemas.Tendo em vista que a natureza do grupo cabeça e do contra-ions são
similares, podemos concluir que essa redução é causada pelo tamanho da cadeia hidrofóbica, como
comprovado pela inspeção na Tabela 1 do capítulo 1, mostrando que a cadeia hidrofóbica do HDTAB
é maior que a do SDS.
62
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
1E-4
HDTAB
SDS
1E-5
1E-6
C dl(F)
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
0
5
10
15
20
25
30
Temperatura (°C)
Figura 33-Comparativo do Cdl versus temperatura para o HDTAB e SDS
Quando a cadeia hidrofóbica tem o mesmo tamanho (como no caso do LiDS e o SDS), a
natureza de íons passa a dominar na transição. Neste caso o íon Li+ é mais hidratado do que íon Na+, e
por isso sua interação com grupo cabeça (dodecil sulfato) é menor. Isso significa que a solubilidade do
LiDS é maior que o SDS, resultando em um ponto Krafft menor, como mostram os valores da
literatura e na Fig. 34 [14]. Na literatura é conhecido que o ponto Krafft do LiDS é menor que 0°C
[14], o que é previsto pelo resultado da Fig. 34, enquanto que no SDS ocorre uma mudança abrupta na
RB, o comportamento do LiDS passa a ser uma curva linear decrescente mostrando que essa transição
está abaixo da faixa de temperatura da medida.
1000
B
R (
SDS
LiDS
100
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
Temperatura (°C)
Figura 34-Comparativo RB versus temperatura entre o SDS e LiDS.
63
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
A Fig. 34 mostra o comportamento elétrico do volume através da resistência RB em diferentes
temperaturas para o SDS e o LiDS. Deste resultado, verificamos transições nas propriedades do
volume da solução para o SDS. No regime de baixas temperaturas temos valor elevado na resistência
RB, como consequência da presença de cristais hidratados. À medida que íons são dissolvidos em
solução, a condutividade aumenta, o que contribui para a diminuição rápida da resistência de volume.
Essa dissolução é acompanhada pela transições na curva caracterizada pela ponto e temperatura Krafft.
Com efeito, o aumento de cargas livres no sistema contribui para diminuir os processos de relaxação
dielétrica que surgem da polarização de moléculas dielétricas e aumentam com o processo de
transporte iônico. Note que LiDS não exibe a transição devido ao fato de seu ponto krafft ser menor
que 0°C por conta da hidratação do íon de litio.
Outro sistema que exibe essa transição (ponto e temperatura Krafft) é o sal de bile
hiodeoxicholato de sódio (HDC), como mostra a Fig. 35. Sais de bile têm o caráter anfifílicos e são de
interesse nas áreas biológicas, uma vez que formam micelas no corpo humano e são responsáveis pela
eliminação de gorduras e lipidios [96]. Dado ao seu caráter iônico, estes sistemas são passíveis de
transição de fase do tipo krafft. Na Fig. 35 é mostrado o perfil da resistência de volume dessa transição
do HDC em solução aquosa. Note que o ponto Krafft é cerca de 32.3°C e a temperatura Krafft é de
38°C, ou seja, o processo de micelização começa no ponto krafft abaixo da temperatura corporal
(36.5°C). Além disso, na temperatura corporal ainda existem cristais hidratados dispersos em solução
aquoso. No corpo humano a total solubilizaçao é alcançada devido à condição de pH no meio.
1000
R B(
HDC
100
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Temperatura (°C)
Figura 35- RB versus temperatura do HDC.
64
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
A Fig. 36 mostra a característica do CPE versus a temperatura. O elemento de fase constante
(CPE) está relacionado a processos de absorção não-uniforme e difusão na interface eletrodo/eletrólito
de íons que atravessam a dupla camada elétrica, sendo extremamente dependente da frequência no
regime de baixas frequências, o que é caracterizado no diagrama de Nyquist por uma região linear. A
solubilização do surfactante está associada com o aumento no valor do CPE com inclinação mínima
na região de sólido hidratado e de micelas, como mostra a Fig. 36. Consequentemente o aumento no
valor do CPE caracteriza a elevação da absorção na interface do eletrodo/eletrólito. Podemos
caracterizar o ponto e temperatura Krafft dos surfactantes também a partir da absorção de espécies
na interface.
3E-4
SDS
HDTAB
CPE(s

)
2.5E-4
2E-4
1.5E-4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Temperatura (°C)
Figura 36 - CPE do SDS e HDTAB.
Efeito de Aditivos
A influência de sais na solubilidade de surfactantes iônicos é fundamental na direção de promover a
interação destes com surfatantes no sentido de aumentar a solubilidade, uma vez que a cadeia
hidrofóbica introduz dificuldade adicional na obtenção da solubilização em temperatura ambiente [97].
Para isso, foi analisada a influência do cloreto de sódio (NaCl) no processo de solubilização dos
surfactantes SDS, HDTAB, LiDS. Além disso, foi estudado o efeito do lipídio DDPE sobre a
65
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
solubilização do SDS. Para essa análise, o circuito de Randles modificado também foi usado na
determinação dos parâmetros já discutidos. Na Fig. 37, a Cdl versus temperatura dos sistemas SDS e
SDS/NaCl mostra a influência do NaCl sobre o comportamento de fase do SDS em água. Na curva
fica claro que o ponto Krafft do SDS é deslocado para uma temperatura mais elevada, enquanto que a
temperatura Krafft tem um aumento mínimo. Esse resultado indica que a solubilidade do SDS diminui
quando o cloreto de sódio é inserido na solução, o que se deve ao aumento do ponto Krafft. Esse
efeito, conhecido por “salting-out”, tem sua origem nas interações das moléculas da água com os íons
do surfactante e do sal, e é caracterizado pela capacidade que esses íons têm de alterar as pontes de
hidrogênio entre as moléculas da água, por conta da organização de moléculas de água ao redor do
íon. Com isso, as moléculas da água passam a se ordenar ao redor dos íons. No sistema SDS/NaCl os
íons presentes são o Na+ do SDS e NaCl, o Cl- do NaCl e o dodecil sulfato (DS-) do SDS. Assim
sendo, podemos ter tanto interação dos íons do sal com a superfície das micelas quanto a dos íons com
a molécula da água.
Como a solubilidade do surfactante diminui, os íons do cloreto de sódio
interagem com as moléculas da água alterando a interação do surfactante com as moléculas da água, o
que leva à diminuição da solubilidade dos mesmos, isto é, quando os Na+ e Cl- são introduzidos, a
quantidade de moléculas de água disponíveis para interagir com o surfactante diminui o que causa a
precipitação. Note que quando inserimos NaCl no sistema, a capacitância de dupla camada elétrica
aumenta, o que significa que a espessura da dupla camada diminui. Esse mecanismo é explicado tendo
em vista que a as cargas estão distribuídas de forma a neutralizar as cargas presentes no eletrodo. Uma
vez introduzido o NaCl, a quantidade de cargas necessária para essa neutralização continua a mesma ,
mas a densidade de carga aumenta e, considerando que segundo a Eq. 21 o comprimento de Debye (
que é uma estimativa da espessura da dupla camada) diminui com o aumento de cargas, o aumento da
capacitância de dupla camada elétrica é explicado.
66
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
1E-4
SDS
SDS/NaCl
1E-5
1E-6
Cdl(F)
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Temperatura (°C)
Figura 37- Comparativo Cdl versus temparatura do SDS e SDS/NaCl
Como esperado, o comportamento do NaCl sobre o LiDS é de “salting-out” uma vez que este
tem o mesmo grupo cabeça que o SDS como mostra a Fig. 38. Relativamente ao sistema LiDS/NaCl é
mostrado o comportamento da solução pura de LiDS que não sofre nenhuma transição nessa região
devido ao seu ponto de Krafft ser abaixo de 0°C, conforme valores da literatura. Note que uma
transição ocorre na faixa de temperatura analisada quando inserimos NaCl no sistema, como
conseqüência da correspondente diminuição da solubilidade do LiDS.
35
240
LiDS
R B ( )
200
30
R B (
PK
160
120
0
4
25
8 12 16 20
o
Temperatura ( C)
LiDS/NaCl
20
TK
10
15
20
25
o
Temperatura ( C)
Figura 38 - Comportamento do RB versus temperatura dos Sistemas LiDS e LiDS/NaCl.
67
Transições de fase em colóides
Ponto Krafft
O efeito do cloreto de sódio no sistema HDTAB é completamente inverso aos sistemas
observados anteriormente, ou seja, com a introdução de NaCl, a solubilidade do HDTAB aumenta, o
que resulta na diminuição de seu ponto Krafft (Fig. 39). Este efeito, conhecido como “salting-in”,
pode ser explicado tendo em conta que a interação dos íons do NaCl com os grupos carregados das
micelas é mais favorecida que a interação deste íon com as moléculas da água. Com isso, ocorre o
aumento da solubilidade do surfactante e, como conseqüência, uma maior estabilidade destas
estruturas.
1E-4
HDTAB
HDTAB/NaCl
1E-5
C Dl(F)
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
0
5
10
15
20
25
30
Temperatura (°C)
Figura 39 - Efeito do NaCl no comportamento do HDTAB
Outro resultado interessante é visto na Fig. 40, na qual é mostrado o efeito do lipídio DPPE na
transição do SDS. O DPPE é praticamente insolúvel em água, sendo solubilizado na presença do SDS.
Da Fig. 38 percebemos que o ponto krafft do SDS é reduzido, indicando que a solubilidade do SDS é
aumentada na presença do DPPE, revelando a presença de um efeito sinergético no sistema.
68
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
0.01
SDS
SDS/DPPE
1E-3
1E-4
C dlF
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
Temperatura (°C)
Figura 40 - Comparativo Cdl versus temperatura do SDS e SDS/NaCl
A influência do aditivo nos pontos críticos dos surfactantes estudados é resumida na Tabela 5.
Como podemos ver, os valores medidos estão em conformidade com dados da literatura, indicando
que a técnica de espectroscopia de impedância eletrica é adequada para determinar o ponto Krafft dos
surfactantes iônicos, sendo capaz de identificar o comportamento elétrico dos sistemas a partir do uso
de circuitos equivalentes, o que viabiliza caracterizar o ponto e temperatura Krafft com uso dos
parâmetros dos circuitos do ajuste.
Surfactante
PK(°C)/ TK(°C)
C12H25NaO4S
(SDS)
C19H42BrN
(HDTAB)
C12H25LiO4S
14.2/ 18.4
Valor da literatura PK(°C)/
TK(°C)
15.0[98]/18.0[99]
23.9/ 26.4
24.0[100]/26.0[101]
<0
<0 [14]
15.2/ 19.1
--/ 20 [14]
32.3/38.0
32 [102]/ 37[102]
13.4/17.3
--/--
16.5/17.5
--/--
17.5/19.4
--/--
(LiDS)
C12H25LiO4S +NaCl
(LIDS+NaCl)
C24H40NaO4
(HDC)
C37H74NO8P+SDS
(DPPE+SDS)
C12H25NaO4S+NaCl
(SDS+NaCl)
C19H42BrN+NaCl
(HDTAB+NaCl)
Tabela 5- Comparativo entre pontos Krafft medidos com valores da Literatura.
69
Transições de fase em colóides
Ponto de névoa
3.2 Ponto de Névoa
O ponto de névoa de um surfactante não-iônico é caracterizado pela ocorrência de uma
separação de fase das soluções micelares em duas regiões distintas (uma diluída e a outra
concentrada), por conta da formação de agregados gigantes que precipitam quando a solução atinge o
ponto de névoa. Seu estudo é extremamente importante em termos práticos, uma vez que sua aplicação
está diretamente relacionada a essa separação de fase. Por exemplo, se esse surfactante for usado para
solubilizar substâncias é preciso que esteja em uma temperatura abaixo do ponto de névoa, já que
acima deste ponto o surfactante perde sua capacidade de solubilização. Com o objetivo de extrair
substâncias do meio, o surfactante precisa estar acima do seu ponto de névoa. Portanto o ponto de
névoa é delimitador das aplicações dos surfactantes não-iônicos. Podemos assim concluir que os
estudos desta transição são fundamentais na busca de alternativas mais viáveis para diversas
aplicações. Para isso se torna necessário o entendimento dos mecanismos envolvidos na transição.
Na literatura, o que se observa é que a grande maioria dos estudos se baseia na interação de
aditivos com surfactantes, determinando o ponto de névoa por simples observação visual [103].
Mesmo que do ponto de vista prático isso seja bem valioso, do ponto vista da compreensão dos
mecanismos essa, pouca informação pode ser retirada da medida por observação visual. Com o intuito,
de compreender tais mecanismos, nos usamos a EIS para determinar os pontos de névoa de diferentes
surfactantes não- iônicos. A opção por essa técnica foi devido aos bons resultados obtidos no estudo
de sistemas micelares, como podemos ver em outros trabalhos na literatura, principalmente dada a
possibilidade de medir propriedades interfaciais de relaxação dielétrica que são características de
sistemas deste tipo.
Nesse estudo, usamos três tipos de surfactantes comercialmente conhecidos como Triton X100 (TX-100), Triton X-405 (TX-405) e Tween 80 (TW-80). Esses surfactantes são caracterizados
pela presença em suas moléculas de grupos hidrofílicos de polietileno óxido (PEO) que tèm a
solubilidade alterada na água à medida que a temperatura aumenta até o ponto de névoa, quando então
70
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
ocorre a precipitação do surfactante não-iônico. A influência do cloreto de sódio no ponto de névoa
desses surfactantes foi analisada.
As amostras foram preparadas usando a concentração de 10 mg/mL de surfactante não-iônico
(TX-100, TX-405 e TW- 80) e caracterizadas a partir do uso do analisador de impedância Solartron
1260 (Reino Unido) e por um medidor LCR Agilent 4263B (EUA). Para determinar a temperatura de
névoa, procedemos com a introdução das amostras em um banho térmico, promovendo o aquecimento
sob condição de intensa agitação. No medidor LCR as amostras foram caracterizadas na frequência de
100kHz e amplitude do potencial de 1V tendo os valores da admitância sido registrados em diferentes
temperaturas. Para a análise da resposta elétrica como função da frequência, o potencial aplicado foi
fixado em 10 mV (sem polarização externa), em uma faixa de frequência variável de 1 Hz a 1MHz.
Em cada experimento, duas placas de aço inoxidável com dimensões de (20x5) mm2 dispostas
paralelamente a uma distância de 17 mm, foram colocadas dentro de um béquer de 25 mL contendo 20
mL da solução de interesse.
Os resultados obtidos indicam que a resposta elétrica das soluções aquosas contendo
surfactantes a diferentes temperaturas é caracterizada pela existência de duas respostas lineares com
derivadas distintas, com a temperatura em que ocorre a interseção entre as retas sendo definida como o
ponto de névoa.
Como podemos ver na sequência das Figs. 41-43, para temperaturas inferiores ao valor crítico
(que define a transição visual do ponto de névoa), a admitância da solução cresce com a temperatura a
uma taxa relativamente alta, caracterizando a formação progressiva de micelas gigantes, reduzindo o
livre caminho médio para o transporte de carga. Esse comportamento se mostra universal para todas as
amostras analisadas, o que nos permite associar a quebra na derivada com a existência do mecanismo
induzido pela transição de fase (ponto de névoa), similarmente ao que é verificado em processos do
tipo CMC, CAC e ponto Krafft, dada a boa concordância entre os valores obtidos com aqueles
verificados por inspeção visual. A redução abrupta na derivada da admitância versus temperatura
indica que a taxa de formação de agregados em solução é diminuída quando da ocorrência do ponto de
névoa, uma vez que, com a transição de fase, se tem a instabilidade das micelas gigantes, que passam a
71
Sandro Vagner de Lima
Ponto de névoa
precipitar em solução, contribuindo para a separação de fases e a obtenção de um novo rearranjo de
micelas em solução com diâmetro inferior às partículas depositadas na fase coacervada.
a)
b)
680
360
TX-100[10mg/ml]+NaCl[0.25M]
TX-100[10mg/ml]+NaCl[0.5M]
660
350
640
620
Y(mS)
Y(mS)
340
330
600
580
560
320
540
48
50
52
54
56
58
60
62
64
40
45
Temperatura (°C)
50
55
60
65
45
50
Temperatura (°C)
c)
d)
700
680
TX-100[10mg/ml]+NaCl[1.5M]
1150
TX-100[10mg/ml]+NaCl[0.75M]
660
1100
640
1050
600
Y(mS)
Y(mS)
620
580
1000
560
950
540
520
900
500
35
40
45
50
55
60
65
25
30
35
40
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
Figura 41-Curva da admitância versus temperatura do TX-100 mostrando o ponto de névoa para
diferentes concentrações de NaCl: a)0.25M b)0.5M c)0.75M d)1.5M.
72
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
a)
b)
764
745
TX-405[10mg/ml]+NaCl[1.5M]
TX-405[10mg/ml]+NaCl[1M]
763
744
762
Y(mS)
Y(mS)
743
742
761
741
760
740
759
739
83
84
85
86
87
88
89
90
76
91
78
80
82
84
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
c)
d)
750
TX-405[10mg/ml]+NaCl[3M]
TX-405[10mg/ml]+NaCl[2.5M]
750
745
Y(mS)
Y(mS)
740
735
740
730
730
725
50
55
60
65
70
75
Temperatura (°C)
45
50
55
60
Temperatura (°C)
Figura 42-Curva da admitância versus temperatura do TX-405 mostrando o ponto de névoa para
diferentes concentrações de NaCl: a)1M b)1.5M c)2.5M d)3M.
73
Sandro Vagner de Lima
65
Ponto de névoa
a)
b)
680
700
Tw-80[10mg/ml]+NaCl[1.5M]
Tw-80[10mg/ml]+NaCl[1M]
670
690
660
680
Y(mS)
Y(mS)
650
640
630
670
660
620
650
610
50
55
60
65
70
75
50
55
Temperatura (°C)
60
65
70
75
Temperatura(°C)
c)
d)
680
Tw-80[10mg/ml]+NaCl[2M]
710
Tw-80[10mg/ml]+NaCl[2.5M]
670
660
Y(mS)
Y(mS)
700
690
650
640
680
630
670
620
45
50
55
60
65
35
Temperatura (°C)
40
45
50
55
Temperatura (°C)
Figura 43-Curva da admitância versus temperatura do TW-80 mostrando o ponto de névoa para
diferentes concentrações de NaCl: a)1M b)1.5M c)2M d)2.5M.
74
Sandro Vagner de Lima
60
Capítulo 3
Como podemos ver das Fig 41- 43, a introdução de NaCl nas soluções dos surfactantes nãoiônico promove a redução da temperatura característica da transição de fase. Ao inserir o NaCl,
podemos ter interação do íon com o dipolo da água ou do surfactante. Para entender isso, é preciso ter
em conta o momento de dipolo de cada molécula, sendo que aquela com momento de dipolo maior
terá preferência de interação com íon [104]. A redução do ponto de névoa com o aumento da
concentração do NaCl indica a preferência de interação do íon com o dipolo da água, o que causa a
redução do número de moléculas de água que interagem com as moléculas do surfactante e leva à
interação do dipolo-dipolo entre as moléculas do surfactante, o que provoca a precipitação deste na
solução.
Nos três sistemas, a eficiência de redução da temperatura de ponto de névoa é medida
diretamente pelo coeficiente angular das curvas na Fig. 44, do que a ordem TX-405>TX-100>TW-80.
O ponto de névoa das soluções puras é o valor na interseção da reta com o eixo Y. Para O TX-100,
TX-405 e TW-80 são respectivamente iguais a 62.3°C, 74.6°C e 104.2°C, valores que estão de acordo
Ponto de Névoa (°C)
com aqueles encontrados na literatura [105-107].
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
Y =104,2-16,9X
Y =74,6-8,6 X
TX-405
Tw-80
TX-100
Y =62,3-16,1 X
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
[NaCl] (M)
Figura 44-Efeito do NaCl sobre o do ponto de névoa dos surfactantes TX-100, TX-405 e TW-80.
75
Sandro Vagner de Lima
Ponto de névoa
Note que o TX-100 associa a mais baixa temperatura para qualquer concentração de sal, o que
potencializa a sua aplicação como agente removedor de resíduos químicos, justificando a sua escolha
dentro do conjunto de surfactantes estudados para aplicação na extração de resíduo de prata, como
veremos no próximo capítulo. O comportamento da solução de TX-100 é caracterizado no domínio da
freqüência por dois circuitos RC em paralelo associados em série, conforme o modelo de MaxwellWagner, como mostra a Fig. 45. Com isso, cada circuito equivalente caracteriza uma população de
uma dada espécie. Para soluções de TX-100, a existência de dois circuitos representa que há duas
populações de espécies em solução (monômeros e micelas). Na Fig. 45 o comportamento elétrico da
solução antes ser aquecida até o ponto de névoa caracterizada pelas freqüências características para os
processos na interface 3,74MHz e 6,02 MHz para os dois circuitos RC. Após a separação de fases
induzida pelo ponto de névoa, é observado o deslocamento nas frequências de relaxação dos processos
interfaciais para 5,15 e 69,54 MHz, caracterizando a retenção das partículas na fase coacervada, isso
possibilita que as partículas dispersas em solução sejam menores do que na solução virgem, como
comprovado por medidas de tamanho de partículas, quando o tamanho médio na fase superior é
reduzido de 229,30 nm para 70,89 nm após tratamento térmico, como revelado por uma medida
realizada em um potencial zeta Malvern Zeta Sizer.
-4
-3
Z"(k )
fR1-C1=6,02MHz
-2
fR2-C2=3,74MHz
-1
0
0
2
4
6
8
Z'(k)
Figura 45- Diagrama de Nyquist de solução de TX-100.
76
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 3
Portanto, o estudo do ponto de névoa pode ser compreendido a partir dos processos
interfaciais com redução das típicas frequências de relaxação, o que caracteriza mudança na
microestrutura nos sistemas quando este ponto é alcançado. Este resultado vem comprovar os
resultados da sequência de Figs. 41- 43, que mostra a mudança na inclinação da curva como
conseqüência do aumento das partículas nos sistemas quando atinge o ponto de névoa.
Os resultados deste capítulo mostram que a temperatura é um parâmetro importante nos
processos de agregação dos surfactantes, caracterizando por promover transições de fase como ponto
Krafft e ponto de névoa que devem ser levadas em consideração nas mais diversas aplicações. Como
veremos no capítulo seguinte o entendimento do ponto de névoa é de fundamental importância para
aplicações de extração de contaminantes em ambientes aquáticos usando a separação de fase que
ocorre nos surfactantes não – iônicos.
77
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
Capítulo 4
Aplicações: Extração por ponto de
névoa e liberação controlada de
fármacos
4.1 Extração por ponto de névoa
No capítulo 3 apresentamos os resultados do ponto de névoa para os surfactantes Triton X100, Triton X-405 e do Tween 80, levando em consideração a descrição de que o ponto de névoa é
caracterizado por uma divisão de duas regiões lineares na curva de admitância versus temperatura.
Com o intuito de mostrar uma das aplicações que advêm deste estudo, neste capítulo analisaremos a
eficiência de remoção de resíduo coloidal de prata em solução aquosa pelo método conhecido como
extração por ponto de névoa.
A busca por métodos de separação de contaminantes ( como é o caso de colóide de prata) da
água é o umas das mais importantes preocupações da atualidade dado aos grande impacto que a
tecnologia vem provocando no meio ambiente. Nesta direção, diferentes metodos de extração tem sido
utilizados para esse propósito, com destaque para métodos conhecidos como extração líquido-líquido e
líquido-sólido. No entanto, esses métodos tem mostrado ser desvantajosos na remoção de
contaminante. A desvantagem do método líquido – líquido está na grande quantidade de solvente
orgânico utilizado elevando os custos, e do método líquido – sólido está na baixa eficiência de
remoção de contaminantes [108].Alternamente a estes métodos, a extração por ponto de névoa tem
muitas vantagens, tais como, baixo custo, segurança,
rapidez e alta capacidade de remover
contaminante [109], justificando assim a sua escolha no estudo.
78
Transições de fase em colóides
Extração por ponto de névoa
Para o estudo, o colóide de prata a ser utilizado como rejeito a ser eliminado da solução
aquosa foi preparado conforme procedimento descrito na referência [110] na forma: inicialmente
foram introduzidos 90 mg de nitrato de prata em 500 mL de água, mantida à temperatura de 90°C. Em
seguida, 10 mL de solução com 1% em massa de citrato de sódio foram adicionados na solução de
nitrato de prata. O processo de síntese leva aproximadamente 2 horas, desde que o colóide seja
mantido sob intensa agitação a 90°C.
Para medir a eficiência de extração desses resíduos da solução aquosa, utilizamos como
parâmetro de análise a intensidade de absorção na região do UV-Vis no comprimento de onda
λ=476nm (pico característico de absorção da prata). Dessa forma, definimos como resposta da
eficiência de eliminação de nanopartículas de prata da solução, determinada diretamente pela relação
, onde
aquecimento e
representa a intensidade do pico de absorção do contaminante antes do
caracteriza a absorção da fase diluída no pico do contaminante após o
aquecimento. Com essa definição, utilizamos uma variável com limites de 0 (nenhuma extração de
rejeito) e 1 (máxima extração), levando em conta a aplicação de Lambert-Beer que relaciona
intensidade de absorção com concentração da molécula no meio, e que se baseia no fato de que a
resposta do sistema mostra linearidade com a concentração das partículas.
Fazendo uso dessa relação, diferentes amostras (na faixa de concentração 0,39 a 25,00% em
volume da solução padrão do resíduo de prata) foram preparadas, com o intuito de otimizar a extração
de prata da solução. Com esse objetivo, a escolha da amostra foi feita pela aquela de pior rendimento
de extração nas condições consideradas como padrão (temperatura de 85°C - acima o ponto de névoa)
na ausência de aditivos cujo aspecto visual é aquele mostrado na Fig. 46. O processo de extração do
colóide de prata é diretamente relacionado à precipitação do mesmo, o que é medido pela
transparência de fase superior e precipitação das partículas metálicas, que passam a ficar concentradas
na parte inferior (na microscopia apresentada no lado esquerdo da Fig. 46) e apresenta um alto grau de
agregação após o tratamento térmico.
79
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
Figura 46 - Microscopia eletrônica da fase diluída e concentrada das soluções aquosas contendo
nano partículas de prata (antes e após o processo de ponto de névoa).
Da curva que relaciona a eficiência de extração versus a concentração inicial de nanopartículas
de prata (Fig. 47), verificamos que a amostra com pior rendimento apresenta 25% em volume da prata;
esta foi então escolhida como modelo a ser otimizado na sequência do trabalho.
1.0
Resíduo de prata
Eficiencia de Extração
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0
5
10
15
20
25
Concentração(%V/V)
Figura 47 - Eficiência da extração de diferentes concentrações de resíduo de prata por ponto
de névoa
80
Transições de fase em colóides
Extração por ponto de névoa
Com o intuito de otimizar a extração de prata para esse sistema, realizamos um estudo
quimiométrico , extremizando os parâmetros quantidade sal (cloreto de sódio), quantidade de
surfactante (dodecil sufato de sódio (SDS) e triton X-100) e da temperatura sobre a eficiência de
extração de residuos de prata em solução aquosa. Os fatores analisados foram extremizados,
assumindo os seguintes valores: triton X-100 (30 e 60 mg/mL), SDS (0 e 20 mM), NaCl (0 e 100mM),
temperatura (70 e 85oC), considerados como valores mínimos (-) e máximos (+), respectivamente. A
escolha do triton X-100 como surfactante não-iônico padrão neste estudo foi motivado pelo fato deste
apresentar o mais baixo ponto de névoa dentre todos os surfactantes estudados no capítulo 3. Com
quatro fatores em consideração, foram analisadas as possibilidades de combinação entre os parâmetros
levando, à necessidade de realização de um planejamento fatorial com rodadas de 16 experimentos
especificados pelos códigos mostrados na Tabela 6.
Amostra
Temperatura
[NaCl]
[TX100]
[SDS]
Códigos
1
-
-
-
-
I
2
-
-
-
+
D
3
-
-
+
-
C
4
-
+
-
-
B
5
-
-
+
+
CD
6
-
+
-
+
BD
7
-
+
+
-
BC
8
-
+
+
+
BCD
9
+
-
-
-
A
10
+
-
-
+
AD
11
+
-
+
-
AC
12
+
+
-
-
AB
13
+
-
+
+
ACD
14
+
+
-
+
ABD
15
+
+
+
-
ABC
16 +
+
+
+
+
ABCD
Tabela 6- Descrição das amostras preparadas no planejamento fatorial.
81
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
Para simplificar a análise da importância dos parâmetros, calculamos os fatores referentes a
três parâmetros nas condições de máximo e mínimo do quarto elemento de análise, permitindo a
comparação direta de sua influência sobre a eficiência de extração. Na Fig. 48 a temperatura é
extremizada, enquanto que a concentração de triton X-100, de SDS e de NaCl são mantidos sobre as
mesmas condições. Nesta figura pode ser verificado que a temperatura representa o fator de maior
importância na extração dos resíduos, em especial na ausência de aditivos (amostra I) e com o
aumento na concentração do surfactante não-iônico (amostra C). Por outro lado, a amostra CD
(máximo de SDS e TX-100) tem eficiência nula de remoção para qualquer das temperaturas
trabalhadas, em uma forte indicação de que ocorre interação entre as partes hidrofóbicas de SDS e TX100, como resultado da formação de micelas mistas. Em todos os outros casos foi observada uma
elevação da resposta com o aumento na temperatura, reforçando a hipótese de que nessa situação se
tem uma forte redução na constante dielétrica do meio, o que afeta substancialmente a solubilidade dos
grupos de PEO dispersos em solução.
Figura 48 - Importância do fator temperatura na extração da prata em solução aquosa.
82
Transições de fase em colóides
Extração por ponto de névoa
Como esperado, a introdução de sal na solução exerce papel de fundamental importância na
redução da temperatura crítica para o ponto de névoa. É importante perceber na Fig. 49 que a
eficiência de extração da amostra com máxima concentração de sal é bem maior do que a observada na
concentração mínima (amostra C e CD); isso indica que a interação com máxima concentração de TX100 passa a ser a condição que otimiza a extração de rejeitos da solução aquosa. Pelo cruzamento das
informações da Fig. 48 com a Fig. 49 nos sistemas triton X-100/NaCl, verificamos que a introdução de
cloreto de sódio proporciona a redução do ponto névoa para abaixo da temperatura de 70°C, o que
pode ser comprovada pela inspeção das amostras CD das duas figuras. Isso está de acordo com que foi
discutido no Cap. 1, relativamente ao efeito de sais sobre o ponto de névoa de sistemas formados por
micelas mistas.
Figura 49-Importância do fator cloreto de sódio na extração da prata em solução aquosa.
A introdução de uma segunda classe de moléculas anfifílicas assumidas como aditivo (SDS)
permitiu verificar que a interação com o TX-100 reduz significativamente a eficiência de remoção das
nanopartículas, uma vez que nessa situação passa a ocorrer forte interação entre as moléculas de SDS
e TX-100, reduzindo a extração das nanopartículas de prata a partir da solução aquosa (Fig. 50), como
consequência do aumento do ponto de névoa do sistema.
83
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
[SDS]=0mM
[SDS]=20mM
Importância do fator
0.9
0.6
0.3
0.0
I
C
B
BC
A
AC
AB
ABC
Figura 50 - Importância do fator SDS na extração da prata em solução aquosa.
Por fim, o aumento da concentração de triton X-100 causa uma diminuição da eficiência de
remoção do resíduo, exceto nas amostras (B e AB) que contêm apenas o cloreto de sódio e o próprio
triton X- 100, e para quais há um aumento da eficiência de remoção como mostra a Fig. 51. Este
resultado pode ser entendido pelo fato do NaCl reduzir o ponto de névoa.
Triton[30mg/ml]
Triton[60mg/ml]
Importância do Fator
0.9
0.6
0.3
0.0
I
D
B
BD
A
AD
AB
ABD
Figura 51 - Importância do fator Triton X-100 na extração da prata em solução aquosa.
84
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
Como resultado central desse planejamento fatorial verifica que a interação sinergética
favorável à extração de resíduos se dá pela interação de Triton X-100 com o sal, reduzindo a
temperatura de extração dos resíduos.
4.2 Liberação controlada de fármacos
O uso de medicamentos por via oral é uma das formas mais comuns de administração de
fármacos. No entanto, essa forma de administrar medicamento se faz acompanhado pela ocorrência de
vários efeitos colaterais devido ao processo de absorção do medicamento pelo corpo. Os principais
problemas são os efeitos associado à passagem do fármaco pelo trato gastrointestinal (ambiente com
pH ácido) e o uso de dosagens acima do necessário. Buscar soluções no sentido de minimizar esses
efeitos passa a ser uma linha de potencial interesse nas áreas farmacêuticas. Uma das vertentes usada
na farmácia para controlar esses efeitos é o uso de polímeros inteligentes, cuja solubilidade seja
dependente do pH do meio proporcionando assim uma liberação controlada do fármaco. Entende-se
por liberação controlada aquela que acontece preferencialmente em uma parte desejada do corpo ou
pela liberação de doses adequadas do fármaco. Polímeros como o eudragit L-100 têm uma grande
capacidade de encapsulação de fármaco devido à formação de agregados em meio ácido, promovendo
a proteção do medicamento contra ação de ácido.
Como já apresentado no Cap. 1, o eudragit L100 é um copolímero entérico dependente do pH
que possui em sua estrutura grupos de ácidos metacrílicos, insolúvel em pH ácido e solúvel em pH
neutro ou soluções alcalinas [111], e que tem sido usado para administração oral controlada. Nesta
condição o eudragit L-100 tem em meio ácido uma conformação fechada devido à alta atração
intermolecular entre os grupos hidróxido e carboxila do polímero, que causam à diminuição da
porosidade e consequentemente a permeabilidade do solvente. Em meios alcalinos e neutros, a
ionização dos grupos carboxílicos causa um aumento da permeabilidade do solvente. A partir desses
mecanismos, o Eudragit L-100 pode ser usado como um carregador de fármaco, principalmente nos
casos nos quais a liberação do fármaco no estômago (pH ácido) representa um grande problema
devido aos efeitos colaterais resultantes da absorção. Com o uso de eudragit L-100 como carregador se
85
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
tem a liberação em meios alcalinos. Uma forma de contornar isso é fazer com que o sistema libere
quantidades controladas de medicamento por unidade de tempo.
Fazer com que os carregadores de fármaco retardem o processo de liberação é um dos grandes
desafios da indústria farmacêutica. Com esse intuito, nesta seção será analisado o efeito da introdução
de partículas de magnetita no processo de liberação dos fármacos metronidazol e aspirina
encapsulados pelo eudragit L-100, na busca por liberação induzida por campo magnético segundo o
esquema da Fig. 52. Para analisar o perfil de liberação sobre diferentes condições usamos a técnica de
espectroscopia de impedância para o fármaco metronidazol e a medida da fluorescência para a
aspirina. A escolha da fluorescência para caso da aspirina foi devido ao fato da espectroscopia de UVVis não ser capaz de identificar o perfil de liberação desse fármaco, já que o pico de absorção do
Eudragit L-100 se sobrepõe ao pico de absorção da aspirina.
Figura 50- Representação esquemática de uma possivel liberação de aspirina por campo magnético.
86
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
Perfil de Liberação do Metronidazol
Metronidazol é um fármaco derivado do nitroimidazol que tem atividade anti-protozoária e
que, quando liberado no estômago pode causar vários efeitos colaterais como cefaléias, estomatite,
leucopenia e neurite periférica [112]. Neste estudo para análise do perfil de liberação do metronidazol,
quatro amostras foram preparadas conforme a Tabela 7. O procedimento de preparação consiste em
dissolver 90ml de eudragit L-100 em 10ml de metanol e promover a adição de soluções com 5mg de
nanopartículas de ferro dissolvidos em 5ml de água nas amostras que contém ferro, e de soluções com
5mg ou 10mg de metronidazol dissolvido em clorofórmio a depender da amostra (conforme Tabela 7).
Após essa etapa, as amostras foram colocadas em solução ácida (pH=2,5) para encapsulação do
metronidazol. Por fim, as amostras foram transferidas para uma proveta para total precipitação do
Eudragit L-100 e colocadas em uma estufa com temperatura de 50°C.
Amostra
A1
A2
A3
A4
Nanopartículas
0mg
0mg
5mg
5mg
5mg
10mg
5mg
10mg
de Ferro
Metronidazol
Tabela 7-Concentração de metronidazol e nanopartícula de ferro
Para proceder com a liberação, 10mg das amostras preparadas foram colocados em uma
solução contendo 10mL de água. Todas as curvas da parte real da impedância foram medidas na
frequência de 1000 Hz no solartron1260, considerando um tempo de estabilização na resposta das
amostras que varia de 2 a 5 minutos. A influência das nanopartículas de ferro e da quantidade de
metronidazol no perfil de liberação foi então analisada a partir do tempo característico (τ) do ajuste do
decaimento exponencial das curvas levantadas e da constante pré-exponencial (A1) (Fig. 53). Este
decaimento é explicado lembrando que a impedância ou condutância de uma solução é dependente da
concentração de íons livres na mesma. Portanto, à medida que se aumenta essa concentração, a
impedância deve diminuir.
87
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
45000
Metronidazol[5mg]/Fe[0mg]
40000
35000
Equation: y = A1*exp(-t/) + y0
to = 4,53 min
R^2
= 0,991
Z'(
30000
25000
y0
A1
11532,598 ± 106,415
27351,376 ± 309,757
1,332 ± 0,02945

20000
15000
10000
0
2
4
6
8
t (min)
Fig.53. Perfil de Liberação do metronidazol
O comportamento da curva da Fig. 53 descreve a liberação do metronidazol encapsulado por
eudragit L-100. Inicialmente temos uma impedância alta, o que caracteriza a existência de uma baixa
densidade de íons livres no sistema. Com o passar do tempo, o eudragit L-100 muda sua conformação
compacta e passa a liberar os íons, e o metronidazol que então se dissocia. Como consequência do
aumento da concentração de íons livres se tem a diminuição na impedância, até que a concentração de
íons no sistema se estabilize, significando que grande parte do metronidazol foi liberada na solução. A
estabilidade da concentração de íons livres é verificada quando a impedância se mantém constante.
Esse comportamento é característica típica das quatros amostras, como mostra a Fig. 54.
88
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
75000
Metronidazol[5mg]/Fe[0mg] to=4.53min
Metronidazol[10mg]/Fe[0mg]to=5.25min
Metronidazol[5mg]/Fe[5mg] to=7.12min
Metronidazol[10mg]/Fe[5mg] to=10.01min
67500
60000
52500
Z'(
45000
37500
30000
22500
15000
7500
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
t (min)
Fig.54. Perfil de liberação do metronidazol na ausência e presença de nanopartícula de ferro
Pela inspeção da Tabela 8, é possível verificar que com o aumento da concentração de
metronidazol (amostra A1 e A2) o tempo de liberação diminui ligeiramente, uma vez que nessa
situação a proporção droga/polímero entérico é aumentada. Como esperado, a constante préexponencial da amostra A2 é maior que o da amostra A1 devido à maior concentração de
metronidazol, que foi liberada como efeito da maior quantidade introduzida durante a preparação das
duas amostras. Quando comparamos A1 e A3, novamente vemos que o tempo de liberação aumenta
quando se introduz nanoparticulas de ferro no sistema, ou seja, as nanopartículas de ferro retardam o
processo de liberação do metronidazol. Além disso, a constante pré-exponencial da amostra A3 é
maior que A1, o que indica que as nanopartículas de ferro ao serem dissolvidos no meio causam o
aumento na condutividade elétrica nestas condições. O mesmo efeito sobre o tempo de liberação do
metronidazol é visto quando se compara as amostras A2 e A4. No entanto, ao comparar as constantes
pré-exponenciais dessas amostras, podemos notar uma redução desta constante quando as
89
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
nanopartículas de ferro são introduzidas em solução, mostrando que nestas condições é possível a
ocorrência de processos de agregação.
Amostra
A1
A2
A3
A4
(min.)
1.332
0.853
1.773
3.998
A1(kΩ)
27.351
52.047
47.754
43.010
Tabela 8- Estimativas dos tempos de liberação das amostras e as constantes pré-exponenciais
O efeito de nanopartículas de ferro como agente retardador da liberação do metronidazol é
muito importante para uma potencial aplicação no campo de medicamentos, especialmente aquelas
referentes a processos de liberação em um local adequado induzido por campo magnético. A
influência do campo magnético representa uma perspectiva promissora para o referido trabalho, que
será desenvolvida em parcerias com grupos de pesquisa que disponibilizem o aparato experimental
para os testes.
Perfil de liberação da aspirina
São conhecidos na literatura vários trabalhos que relatam os efeitos colaterais causado pela
ingestão de aspirina no estômago, dentre os quais podemos destacar úlceras, hemorragias e a
perfuração do estômago [113-116]. Nesse sentido, a busca por alternativas que amenizem tais efeitos
são bem-vindas nas áreas farmacêuticas. Com esse objetivo, essa seção mostra os resultados de
fluorescência do perfil de liberação da aspirina encasulado no eudragit L-100. Para caracterizar o perfil
de liberação utilizamos a montagem experimental mostrada na Fig. 25, e as amostras sido preparadas
conforme o método da precipitação que consiste em dissolver eudragit L-100(200mg) e a aspirina
(250mg) em 20 ml de etanol separadamente. Posteriormente essas soluções foram misturadas e
gotejadas em solução de 0.5 M de ácido clorídrico (HCl) com pH igual a 2 para uma total precipitação
do polímero junto com o fármaco. Finalmente, as amostras foram separadas e secas na temperatura de
50°C. Como estudo complementar foi analisado o efeito de nanopartículas de ferro sobre o perfil de
liberação da aspirina. Para preparação dessas nanopartículas, cloreto férrico (FeCl3) junto com sulfato
ferroso foram misturadas usando uma quantidade que segue a Fe3+/Fe2+=2. Posteriormente uma
90
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
solução de 25% em massa de hidróxido de amônio (NH4OH) foi gotejada até a total precipitação das
nanopartículas de ferro. Após isso, a solução foi lavada diversas vezes para remoção de sais em
solução. Para verificar o efeito dessas nanopartículas sobre o perfil de liberação da aspirina, uma
amostra contendo as mesmas quantidades de eudragit L-100 e aspirina descritas acima foi preparada
com posterior acréscimo de 10 mL de solução com nanopartículas de ferro. As etapas posteriores
seguem o procedimento descrito acima.
Antes de verificar o comportamento do perfil de liberação da aspirina encapsulada, uma curva
de calibração da concentração de aspirina foi construindo a partir da medida de sua fluorescência
típica em meio básico, com o intuito de permitir verificar posteriormente do quanto de aspirina é
liberada. Para isso, foi realizada a medida de fluorescência da aspirina em diferentes concentrações
(Fig.55). Em todas as amostras contendo diferentes concentrações de aspirina, uma solução 1M de
hidroxido de sódio (NaOH) foi introduzida com o objetivo de verificar a fluorescência, uma vez que a
aspirina não fluoresce quando em água pura e somente exibe o comportamento fluorescente nessas
condições.
Fig.55 - Espectros de emissão da aspirina em diferentes concentrações
Como mostra o espectro de emissão da aspirina (AAS) excitada no comprimento de onda de
344nm, a fluorescência (F) aumenta à medida que a concentração é aumentada. Fazendo uso desse
resultado foi possível traçar uma curva de calibração para a aspirina, como mostra a Fig. 56, na qual o
91
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
logaritmo da intensidade de fluorescência versus o logaritmo da concentração de AAS no pico de
emissão de 398nm tem um comportamento linear. A partir daí podemos verificar que quantidade de
aspirina é liberada em solução na presença/ausência de nanopartículas de ferro.
Para medir a fluorescência, a amostra já seca foi colocada em um litro de água sob constante
agitação e, a cada dois minutos, 4ml da solução foram coletadas para medida da fluorescência. Esse
procedimento foi tomado para termos um mínimo de perturbação sobre a concentração final da
solução. Em cada amostra contendo 4ml de solução foi adicionado uma quantidade de 160mg de
NaOH para que a aspirina exiba fluorescência, e evitando com que as condições de pH no meio
afetassem a própria liberação da AAS.
Fig.56-Curva de calibração da aspirina
O perfil de liberação da aspirina segue o comportamento da Fig. 57, cujo ajuste mostra
claramente uma concentração de saturação que é bem caracterizada pelo parâmetro “a” da equação
que ajusta a curva. Pela inspeção da equação isso, acontece para tempos muito longos (t→∞), ou
92
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
[AAS]= 10a. Além disso, é possível estimar o tempo de liberação da aspirina fazendo uma analogia
com o tempo de carga de um capacitor no circuito RC. Dentro da engenharia, é consenso considerar
que o tempo referente à 95% da carga total é aproximadamente o tempo necessário para carregar o
capacitor. Usando esse princípio para nosso caso, temos que isso ocorre quando
. Os
valores com as concentrações de saturação e o tempo de liberação das amostras estão descritas na
Tabela 9.
-2.8
AAS
Log[AAS]
-3.0
Data: Data17_D
Model: Asymptotic1
Equation:
t
Log[AAS] = a-bc
Weighting:
y
No weighting
-3.2
-3.4
Chi^2/DoF
= 0.00112
R^2
= 0.98843
-3.6
a
b
c
-3.8
0
10
-2.79804
0.89062
0.90213
20
30
±0.02142
±0.02906
±0.00795
40
t (min)
Fig. 57 Perfil de liberação da aspirina medido por fluorescência.
Amostra
10a (mg/ml)
AAS
1.59x10-3
29.085
AAS/Fe
4.229x10-3
53.284
(min)
Tabela 9- Valores contendo a concentração liberada e o tempo de liberação da aspirina
O efeito da nanopartícula de ferro sobre a liberação da aspirina é mostrado na Fig.58, como
observado na Tabela 9, seu efeito é o de retardar a liberação da aspirina, potencializando a aplicação
93
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 4
da liberação por campo magnético, como observado anteriormente por experimentos usando EIS com
o mesmo procedimento realizado no estudo da liberação do metronidazol.
-2.4
AAS/Fe
-2.5
Log[AAS]
-2.6
-2.7
Data: Data8_D
Model: Asymptotic1
Equation:
t
Log[AAS] = a-bc
Weighting:
y
No weighting
-2.8
-2.9
Chi^2/DoF
= 0.00043
R^2
= 0.99198
-3.0
a
b
c
-2.37368
0.75723
0.94533
±0.03594
±0.02818
±0.00674
-3.1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
t(s)
Figura 56- Influência da nano partículas no perfil de liberação da aspirina medido por
fluorescência
0.0035
AAS
0.0030
Data: Data1_G
Model: Asymptotic1
Equation:
t
Log[AAS]= a-bc
Weighting:
y
No weighting
0.0025
1/Z'(S)
0.0020
0.0015
Chi^2/DoF
= 1.9191E-9
R^2
= 0.99664
0.0010
a
b
c
0.0005
0.00331
0.00632
0.89375
±4.6958E-6
±0.00003
±0.00061
0.0000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
t(min)
Figura - 59 Perfil de liberação da aspirina medido por impedância
Para efeito de comparação o perfil da liberação da aspirina também foi realizado por
espectroscopia de impedância como mostra a Fig. 57. Comparando o tempo de liberação medido por
94
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
impedância t=26.67 min, vemos um bom acordo com o valor medido pela fluorescência, o que mostra
a validade dos valores encontrados.
Por fim, podemos dizer que este capítulo foi extremamente valioso no sentido de mostrar as
aplicações que advêm das pesquisas realizadas em física básica descrito no capitulo 3. Nota-se no
capítulo que a extração por ponto de névoa é uma alternativa aos métodos tradições de extração devido
a sua enorme capacidade de remoção de resíduos metálicos e seu baixo custo e que a liberação dos
fármacos metronidazol e aspirina por meio de campo magnético torna-se possível dado o retardo que
nanopartículas de ferro promovem na liberação dessas drogas.
95
Sandro Vagner de Lima
Capítulo 5
Capítulo 5
Conclusões e Perspectivas
Como pode ser visto ao longo dos diferentes capítulos, esta dissertação teve como ponto
central a caracterização de sistemas coloidais a partir do uso de uma abordagem elétrica das transições
de fase que ocorrem nestes. Assim, a técnica de EIS pode ser considerada como essencial nesta
caracterização, uma vez que a partir dela foi possível ajustar as diferentes transições de fase em
surfactantes e polímeros entéricos com o uso da analogia de circuitos equivalentes. A partir do ajuste,
diferentes características dos sistemas estudados foram determinadas no intuito de verificar e
compreender os mecanismos envolvidos nas transições. O tratamento das transições de fase do tipo
ponto Krafft por meio de circuito equivalentes de Randles modificado provou ser uma abordagem nãoconvencional de análise efetiva, a contraposição às técnicas rotineiras que fazem uso da condutividade
elétrica ou da inspeção visual. É importante ressaltar o bom acordo dos valores encontrado ao longo da
dissertação com aqueles descritos na literatura. Isso mostra como é valioso o tratamento pela analogia
de circuitos equivalentes, o que traz um ganho no tratamento do ponto Krafft, uma vez que essa
análise permite que parâmetros próprios da solução e outros que sinalizam propriedades inerentes à
interface eletrodo/eletrólito possam ser separados pela característica do circuito de Randles
modificados.
Podemos destacar nesse sentido que o uso da EIS permite que a capacitância de dupla camada
elétrica (parâmetro relacionado a processos interfaciais) e resistência de volume (parâmetro próprio da
solução) caracterizam o ponto Krafft de surfactantes iônicos e a sua interação com eletrólitos como o
cloreto de sódio. Das curvas analisadas, é possível verificar a presença de três regiões distintas,
caracterizadas por duas transições de fase (ponto Krafft e temperatura Krafft). Uma região
96
Transições de fase em colóides
Liberação controlada de fármacos
caracterizada pela presença cristais hidratados do surfactante, enquanto que a outra se caracteriza a
solubilização desses cristais, e a última pela presença de micelas em solução. É observado que o
processo de solubilização das espécies anfifílicas caracterizada pelo ponto e temperatura Krafft
promove mudança abrupta nos processos interfaciais, como pode ser observado pela maximização da
capacitância de dupla camada elétrica e dos processos de difusão e absorção de espécies na interface,
cujo comportamento é descrito por uma típica curva sigmóide, que define as três regiões dita
anteriormente.
O uso de circuito equivalente em transições de sistemas não-iônicos também se mostrou bem
promissor, uma vez que os processos interfaciais decorrentes da aplicação de um potencial elétrico em
colóides permitem com que se tenha a adequada descrição dos mecanismos de separação de fase por
ponto de névoa. Além disso, o uso da espectroscopia de impedância permite que o ponto de névoa
possa estar associado ao ponto de interseção de duas regiões na curva admitância versus temperatura,
que caracteriza a existência de micelares e de gigantes aglomerados micelares. Portanto, a EIS permite
com que se tenha um entendimento microscópico dos processos que conduzem à separação de fases e
quais fatores são efeitos de diferentes fatores no processo de remoção de resíduos químicos. Para o
caso do resíduo de prata, uma adequada escolha dos aditivos (NaCl, temperatura, SDS e temperatura)
permite com que a eficiência de remoção seja otimizada, o que é refletido diretamente nos parâmetros
físico-químicos medidos por absorção no UV-Vis e por EIS. A interação entre moléculas de anfifílicos
diferentes (SDS e triton X-100) promove o processo de interação inter-micelar, refletido na redução da
remoção de resíduos químicos da solução aquosa. No entanto, a interação entre o NaCl e triton X-100
provoca o aumento nas quantidade de resíduos extraído, como consequência da redução do ponto de
névoa dos mesmos.
Por fim, neste trabalho foi possível verificar a real influência do parâmetro nanopartículas de
ferro no processo de liberação dos fármacos metronidazol e aspirina encapsulados pelo polímero
Eudragit L-100. O comportamento de liberação de ambos os fármacos é bem ajustado por funções
exponenciais, cujos parâmetros permitem mostrar das medidas de impedância e de fluorescência que
as nanopartículas de ferro têm efeito retardador no perfil de liberação, indicando novas perspectivas de
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Sandro Vagner de Lima
Capítulo 5
trabalho na linha de liberação controlada de fármacos pela ação de campo magnético, dado a
necessidade de inibir efeito colaterais provocados pela liberação desses medicamentos no estômago.
Outra perspectiva é o uso desse sistema para liberação de medicamento terapêutica a partir de campo
magnético devido à necessidade de liberação em posições pré-definidas do corpo.
98
Transições de fase em colóides
Produção científica
Produção Científica Decorrente da Dissertação
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Sandro Vagner de Lima