Emprego de polímeros impressos (molecularmente ou

Universidade Federal de São João del-Rei
Coordenadoria do Curso de Química
Emprego de Polímeros Impressos
(Molecularmente ou Ionicamente) Visando o
Desenvolvimento de Sensores Eletroquímicos
para a Determinação de Analitos de Interesse
Farmacêutico e Ambiental
Malena Karla Lombello Coelho
São João del-Rei – 2016
EMPREGO DE POLÍMEROS IMPRESSOS
(MOLECULARMENTE OU IONICAMENTE) VISANDO O
DESENVOLVIMENTO DE SENSORES ELETROQUÍMICOS
PARA A DETERMINAÇÃO DE ANALITOS DE INTERESSE
FARMACÊUTICO E AMBIENTAL
Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso,
apresentado no 2º semestre do ano de 2016 ao Curso
de Química, Grau Acadêmico Bacharelado, da
Universidade Federal de São João del-Rei, como
requisito parcial para obtenção do título de Bacharel
em Química.
Autor: Malena Karla Lombello Coelho
Docente Orientador: Doutor Arnaldo César Pereira
Modalidade do Trabalho: Revisão Bibliográfica
São João del-Rei – 2016
RESUMO:
Desenvolver métodos analíticos cada vez mais seletivos e sensíveis, de respostas
rápidas, precisas e eficientes é de grande relevância em diferentes áreas do conhecimento.
Neste ponto, as técnicas analíticas desempenham um papel fundamental, pois apresentam
algumas características vantajosas, como custo moderado, elevada sensibilidade e
seletividade, resposta rápida, entre outras. Eletrodos quimicamente modificados são
eletrodos com espécies quimicamente ativas, resultantes da imobilização de um agente
modificador sobre a superfície de um eletrodo base, buscando pré-estabelecer e controlar a
natureza físico-química da interface eletrodo-solução como meio de alterar a reatividade e
seletividade do sensor base. A modificação dos eletrodos pode ser feita de diferentes
formas e com diferentes materiais. Uma nova alternativa na modificação de eletrodos que
merece destaque é a partir do emprego de Polímeros Impressos Molecularmente (MIP) e
Polímeros Impressos com Íons (IIP). Tanto os MIPs como os IIPs têm atraído considerável
atenção nas ultimas décadas, pois aparecem como uma ferramenta promissora para o
desenvolvimento de sistemas com reconhecimento biomimético semelhante aos sistemas
específicos, como por exemplo, antígeno-anticorpo. As vantagens deles em relação aos
materiais biológicos incluem o preparo fácil e de baixo custo e o armazenamento simples
que acontece muitas vezes à temperatura ambiente por longos períodos de tempo. Esses
eletrodos modificados com MIP ou IIP são ótimas alternativas para a determinação de
substâncias de interesse farmacêutico, medicinal, ambiental, entre outros, devido as suas
características como seletividade, sensibilidade, baixo custo e portabilidade. As técnicas
mais utilizadas para análises quantitativas de substâncias farmacêuticas, medicinais,
ambientais, entre outras são as cromatográficas, as quais são muito importantes em função
de suas facilidades em efetuar as separações, identificar e quantificar as espécies presentes
nas amostras. Em contrapartida os sensores modificados com MIP ou IIP apresentam
vantagens em relação às técnicas e aos modificadores convencionais principalmente pelas
seletividade,
custo
moderado,
portabilidade,
respostas
rápidas,
possibilidade
de
miniaturização do sistema e de análises de matrizes complexas. Assim, o objetivo deste
trabalho é fazer uma revisão bibliográfica avaliando a aplicação de sensores modificados
com MIP e IIP em amostras farmacêuticas e ambientais e o progresso dessa metodologia
analítica nos dias atuais.
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO.......................................................................................................................1
1.1.Eletrodos Quimicamente Modificados................................................................................1
1.2.Polímeros Impressos Molecularmente (MIP)......................................................................3
1.3.Polímeros Impressos com Íons (IIP)...................................................................................6
1.3.1.Polímeros Orgânicos Impressos com Íons......................................................................7
1.3.2.Polímeros Inorgânicos Impressos com Íons....................................................................8
1.3.3.Polímeros Hibridos Orgânicos-Inorgânicos Impressos com Íons....................................8
1.4.Imobilização do MIP ou IIP em Diferentes Transdutores...................................................8
1.4.1.Imobilização por Oclusão................................................................................................9
1.4.2.Polimerização de Filmes Sobre a Superfície do Transdutor...........................................9
1.4.2.1.Polimerização Direta do MIIP ou IIP Sobre o Transdutor.............................................9
1.4.2.2.Polimerização in situ.....................................................................................................9
1.4.3.Imobilização do MIIP ou IIP em Compósitos.................................................................10
2.OBJETIVO...........................................................................................................................10
3.APLICAÇÃO DOS SENSORES BIOMIMÉTICOS...............................................................10
3.1. Uso dos Polímeros Impressos Molecularmente (MIP) no Desenvolvimento de Sensores
Biomiméticos .........................................................................................................................11
3.1.1. Aplicação de Sensores Biomiméticos na Determinação de Fármacos......................11
3.2.Uso dos Polímeros Impressos com Íon (IIP) no Desenvolvimento de Sensores
Biomiméticos..........................................................................................................................18
3.2.1. Aplicação de Sensores Biomiméticos na Determinação de Metais Pesados.............19
4.CONCLUSÃO......................................................................................................................26
5.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................26
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos tempos, desenvolver métodos analíticos cada vez mais seletivos e
sensíveis, de respostas rápidas, precisas e eficientes é de grande relevância em diferentes
áreas do conhecimento, abrangendo os setores ambientais, farmacêuticos, alimentício,
entre outros. Neste ponto, as técnicas analíticas desempenham um papel fundamental.1
Entre essas técnicas, as técnicas eletroquímicas merecem destaque devido a
algumas características vantajosas, como custo moderado, portabilidade, elevada
sensibilidade e seletividade, resposta rápida, possibilidade de miniaturização do sistema e
de análise de matrizes complexas.2,3
Os sensores eletroquímicos são dispositivos que permitem a coleta de dados e a
obtenção de informações com uma mínima manipulação do sistema em estudo, além disso
eles possuem características que os distinguem de métodos instrumentais de grande porte,
pois permitem a obtenção de informações in situ e em tempo real, além da portabilidade, da
possibilidade de miniaturização e do baixo custo.3,4 Dessa forma, os sensores podem ser
aplicados com alta sensibilidade e seletividade em amostras ambientais, biológicas e de
interesse industrial.5
Apesar dessas características, os sensores apresentam algumas limitações em seu
emprego as quais estão associadas a problemas de sensibilidade, estabilidade, entre
outras. Dessa forma, pensando na melhoria dos sensores eletroquímicos surgiram os
eletrodos quimicamente modificados (EQM).6 Essa denominação foi introduzida por Murray e
colaboradores na década de 1970, para nomear eletrodos modificados com espécies
quimicamente ativas, imobilizadas em suas superfícies.7
1.1.
Eletrodos Quimicamente Modificados
Os EQM´s são eletrodos modificados com espécies quimicamente ativas, resultantes
da imobilização de um agente modificador sobre a superfície de um eletrodo base, tendo
como função pré-estabelecer e controlar a natureza físico-química da interface eletrodosolução para alterar a reatividade e seletividade do sensor base, proporcionando o
desenvolvimento de eletrodos para vários propósitos e aplicações.7
Um eletrodo quimicamente modificado compõe-se de duas partes, o eletrodo base e
uma camada do modificador químico. A escolha do eletrodo base é o principal ponto do
trabalho, pois este deve apresentar características eletroquímicas apropriadas e ser
1
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
adequado para a imobilização do modificador na superfície. Entre os inúmeros materiais
utilizados destacam-se o ouro, platina, carbono vítreo, fibras de carbono e pasta de
carbono.7,8,9 Dessa forma os diversos materiais e a possibilidade de associá-los leva esses
dispositivos a uma vasta gama de aplicações, como no controle de qualidade de
medicamentos e no controle ambiental.
O uso de camadas de agentes modificadores sobre a superfície do eletrodo base
tem sido a principal forma de modificar a superfície de um eletrodo. Os métodos mais
importantes para a introdução de um agente modificador sobre a superfície do eletrodo base
consistem em adsorção, formação de compósitos, ligação covalente, recobrimento com
membranas poliméricas e eletrodeposição.8,9 As principais características desses métodos
encontram-se na Tabela 1.
Tabela 1. Métodos de modificação da superfície de eletrodos.
Métodos de modificação
8,9
Principais características
Consiste
na
dissolução
do
agente
modificador em um solvente apropriado e na
exposição
Adsorção
(em
geral
por
imersão)
do
eletrodo na solução. Apesar de ser um
método simples, somente uma camada de
modificador é obtida e a dessorção pode
prejudicar a reprodutibilidade do sistema.
É uma mistura de diferentes componentes
(por exemplo orgânicos e inorgânicos) em
que
Formação de compósitos
duas
ou
combinadas,
mais
substâncias
passando
a
são
apresentar
propriedades únicas. Exemplos: eletrodo de
pasta de carbono, grafite-epóxi, “screenprinted” e pastilhas.
Incorporação de várias substâncias, de
maneira estável, por meio da manipulação
da
Ligação covalente
reatividade
dos
grupos
funcionais
existentes na superfície do eletrodo. É um
método
muito
estável
e
reprodutivo.
Entretanto, necessita de um tempo maior de
realização e gera uma única camada
2
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
imobilizada.
Tem como objetivo recobrir a superfície do
eletrodo com
Membranas poliméricas
polímeros condutores ou
permeáveis ao eletrólito suporte e à espécie
eletroativa
de
interesse.
Por
meio
da
imobilização de policamadas da espécie
ativa na superfície do eletrodo, ampliando
assim a resposta eletroquímica.
Ocorre pela deposição de uma espécie na
superfície do eletrodo mediante a aplicação
de um potencial apropriado. Por meio deste
Eletrodeposição
processo há a transferência de cargas na
interface
eletrodo/eletrólito,
ocorrendo
reações químicas em que os produtos são
sólidos.
O uso de EQM’s é uma área em grande expansão, principalmente no
desenvolvimento de novos materiais e novos métodos de modificação da superfície dos
eletrodos, como a utilização de cerâmicas, macromoléculas (DNA), polímeros impressos
molecularmente (MIP) e polímeros impressos com íons (IIP),8,10
1.2.
Polímeros Impressos Molecularmente (MIP)
O conceito de impressão molecular surgiu a partir da teoria de Pauling, na qual um
antígeno desempenharia o papel de molécula molde para moldar a cadeia polipeptídica de
anticorpos, dando origem a configurações complementares altamente seletivas. A partir
dessa teoria outros pesquisadores desenvolveram metodologias para a preparação de
materiais adsorventes com afinidades específicas para algumas substâncias como Wulff e
Sarhan em 1972, que sintetizaram um polímero orgânico enantiosseletivo para o ácido
glicérico. Com a evolução dessas metodologias surgem os Polímeros Impressos
Molecularmente (MIPs).11,12
Os MIPs são polímeros sintéticos formados por reações de polimerização na
presença da molécula molde (MM), que gera cavidades no material sintetizado que são
3
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
específicas para essa molécula. Desse modo, após a retirada da MM, os polímeros passam
a apresentar sítos vazios com a forma da MM.12
Este material tem atraído considerável atenção nas últimas décadas, pois aparecem
como uma ferramenta promissora para o desenvolvimento de sistemas com reconhecimento
biomimético semelhante ao de sistemas biológicos específicos como antígeno-anticorpo
e/ou enzima-substrato. O termo sensor biomimético refere-se àqueles sensores nos quais
os elementos biológicos, usados nos biossensores convencionais, são substituídos por
compostos ou materiais que permitem interações de reconhecimento de forma seletiva para
um determinado analito, de forma similar ao que ocorre com a substância biológica.11,13
Os sistemas biomiméticos possuem algumas vantagens em relação aos sistemas
biológicos como simplicidade, baixo custo no preparo, armazenamento simples que muitas
vezes pode acontecer em temperatura ambiente e por um longo período de tempo,
capacidade de adsorção e reprodutibilidade no preparo do polímero.11,13
O uso desses Polímeros Impressos Molecularmente destaca-se pela sua grande
seletividade, a qual é adquirida no decorrer da síntese do polímero devido a interações da
molécula molde com os monômeros funcionais, formando as cavidades seletivas após a
retirada da MM.13
Entre os passos para a síntese do MIP, o mais importante é determinar
criteriosamente a escolha do monômero empregado e do analito de interesse, que devem
interagir fortemente com a finalidade de formar um complexo estável. O monômero é que vai
determinar o tipo de ligação nos sítios impressos do polímero. Sua escolha depende da
natureza do analito e suas interações devem ser fortes o suficiente para formar os sítios de
ligação, mas também fracas o suficiente para permitir a retirada da MM sem destruir as
cavidades de reconhecimento formadas.11
Essa interação analito-monômero pode acontecer por meio de ligações covalentes,
que possuem sítios mais seletivos, mas restringem a aplicabilidade dos MIPs para poucos
analitos e apresenta certa dificuldade na retirada da MM devido à natureza dessas ligações,
que são consideradas fortes, ou por meio de ligações não covalentes em que a quebra das
interações para a retirada da MM é feita de forma simples e apresentam sítios menos
seletivos, porém é a mais utilizada dada a maior flexibilidade de aplicação dos MIPs para
diferentes analitos. Dentre os diversos monômeros que podem ser empregados na síntese,
o mais utilizado é o ácido meta-acrílico (MAA). Além dele podemos citar ácido acrílico, ácido
p-vinilbenzóico, ácido acrilamidossulfônico, amino metacrilaminada, 4-vinilpiridina, 2vinilpiridina e acrilamida, entre outros.1,11,13
4
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Outro parâmetro importante que influencia a estabilidade da formação do complexo
analito-monômero é o solvente, o qual deve solubilizar tanto a MM quanto os monômeros,
mas não deve interferir na interação analito-monômero. Além disso, o solvente deve induzir
a formação de poros que irão facilitar a difusão dos analitos aos sítios seletivos. Solventes
com essas características são conhecidos como porogênicos.1,13
Por fim, a seletividade desses polímeros é também assegurada pelo emprego de
reagentes que promovem ligações cruzadas no polímero, conferindo assim estabilidade
térmica e mecânica ao complexo analito-monômero. Os reagentes de ligação cruzada mais
utilizados são etileno glicol dimetacrilato (EGDMA), N,N’-metileno-bis-acrilamina e N,N’fenilendiacrilamida. Também é necessário adicionar no meio reacional um iniciador radicalar
para dar início à reação de polimerização. Os mais empregados são 2,2’-azo-bis-isobutironitrila (AIBN) e azo-bis-dimetilvaleronitrila (ABDV).11,13
De forma geral, para a formação do MIP, realiza-se a polimerização do monômero,
sendo o polímero formado ao redor do analito de interesse. Em seguida, a molécula molde é
removida por dissolução ou evaporação, dependendo do tipo de analito, e então o sítio do
MIP é exposto. Este sítio vai possuir a forma e o tamanho da molécula molde.
12,13
A
formação do MIP está representada do esquema da Figura 1.
Figura 1: Esquema geral de síntese do MIP.
13
5
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Por todas suas características o MIP vem sendo muito utilizado para o
desenvolvimento de sensores químicos, tornando-se muito promissor para aplicações
em indústrias farmacêuticas, a que será retratado neste trabalho, entre outras.
1.3.
Polímeros Impressos com Íons (IIP)
Como citado anteriormente, o desenvolvimento de novos materiais tem se expandido
para diversos campos do conhecimento e trazido grandes inovações em várias áreas. Neste
sentido, o estudo de novos materiais pode auxiliar muito na Química Analítica, levando a
aumento na seletividade e na sensibilidade dos métodos analíticos conhecidos. Desses
novos materiais além do MIP podemos destacar os Polímeros Impressos com Íon, que
também são materiais sintéticos com reconhecimento biomimético semelhante aos sistemas
específicos enzima-substrato e/ou antígeno-anticorpo.14
Os IIPs apresentam as mesmas características dos MIPs, incluindo simplicidade e
conveniência da síntese. A síntese dos Polímeros Impressos com Íon pode ser dividida em
três partes. Primeiro ocorre a formação de um íon complexo entre o íon metálico de
interesse (analito) e o monômero, seguida da polimerização do complexo, que pode ser
observada no esquema da Figura 2. E por fim, ocorre a retirada do íon metálico ligado ao
centro ativo do complexo. É importante destacar que a seletividade do polímero é baseada
na individualidade do ligante (monômero) em relação ao íon, na geometria de coordenação
do complexo, no número de coordenação dos íons, assim como no tamanho e na carga do
íon.15,16
Convencionalmente, os IIPs são preparados pelo método denominado por polimerização
em “bulk”, no qual a reação ocorre em sistema homogêneo. Esta reação é conduzida em
frascos fechados contendo o íon metálico, o monômero, o solvente, o reagente de ligação
cruzada e o iniciador radicalar, na ausência de oxigênio, sob aquecimento ou exposição à
radiação UV. O sólido obtido no final da síntese é então triturado de maneira a permitir o
acesso ao analito, para a remoção e religação deste. Apesar de ser o método mais comum,
ele apresenta algumas desvantagens como partículas de tamanhos irregulares e elevado
tempo reacional.14,17
Para tentar produzir polímeros com partículas de tamanho uniformes surgiram novos
métodos de preparo, destacando-se a síntese por precipitação, na qual utiliza-se um volume
superior de solvente porogênico (acima de cinco vezes em relação a polimerização em
“bulk”), e a síntese por polimerização por suspensão, em que utiliza-se um agente
6
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estabilizador cuja função é evitar a coagulação das gotas dos monômeros durante o
processo.14,17
De modo geral, o processo de síntese dos IIPs é bem simples, de baixo custo e
apresenta possibilidade de várias rotas sintéticas e aplicações, além de serem
quimicamente resistentes podendo ser reutilizáveis.14
Figura 2: Representação da formação de íon complexo entre o metal e o ligante (monômero) durante
a reação de polimerização do IIP.
14
1.3.1.Polímeros Orgânicos Impressos com Íons
Os trabalhos iniciais desenvolvidos com IIPs foram executados empregando-se
polímeros orgânicos como poli(etilenoimina), poli(vinilpiridina) e poli(acrilato) para o
reconhecimento de metais pesados. Os IIPs orgânicos são empregados em extração em
fase sólida, membranas de separação e em sensores para quantificação de íons
metálicos.14,16
A síntese desses IIPs orgânicos pode ser classificada em quatro abordagens,
fundamentadas na forma como os ligantes são imobilizados na matriz do polímero, sendo
elas: a reticulação, a imobilização química, a impressão superficial e a síntese por
aprisionamento de ligantes quelantes. Apesar desses polímeros apresentarem uma boa
capacidade de ligação com os íons, eles não apresentam uma boa seletividade. Essa baixa
seletividade está associada ao efeito de impressão pouco pronunciado, já que não há
formação do complexo entre o íon metálico e o monômero antes da polimerização.14,16
7
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1.3.2. Polímeros Inorgânicos Impressos com Íons
Polímeros inorgânicos impressos com íons apresentam as mesmas finalidades que
os polímeros orgânicos, isto é, estabelecer uma adsorção mais seletiva por um íon
específico do que por outro íon presente na amostra. A síntese dos polímeros inorgânicos
normalmente é feita por meio do processo sol-gel, utilizando-se tetraetoxissilano (TEOS)
como agente reticulante responsável pela formação da rede polimérica.14,16
Os IIPs inorgânicos apresentam uma área superficial maior que os IIPs orgânicos e
são estruturalmente porosos, além da alta afinidade e seletividade. Apesar disso, esses
materiais apresentam uma baixa acessibilidade do analito alvo ao sítio de ligação devido
aos microporos que compõem o material. Para superar essas limitações, surgiu um novo
processo de síntese utilizando o processo sol-gel e surfactantes. A principal vantagem
desses IIPs sintetizados com surfactantes é o controle dos parâmetros estruturais dos
polímeros, como volume e tamanho dos poros.14
1.3.3. Polímeros Híbridos Orgânicos-Inorgânicos Impressos com Íons
Esses materiais híbridos são preparados pela combinação de componentes
orgânicos e inorgânicos, e apresentam um grande interesse em diversas aplicações, devido
à combinação da versatilidade funcional dos compostos orgânicos com a vantagens da
estabilidade térmica e robustez dos compostos inorgânicos. 14,16
Os materiais híbridos podem ser preparados de três modos: pela incorporação
apenas física dos constituintes, por meio de ligações químicas entre os componentes
orgânicos e inorgânicos e pela combinação dos dois tipos de interações, física e química. 14
1.4.
Imobilização do MIP ou IIP em Diferentes Transdutores
Na construção dos sensores biomiméticos é muito importante encontrar uma forma
adequada de acoplar o material sintético, contendo o receptor seletivo, ao transdutor. Dessa
forma, o modo como vai ocorrer o acoplamento do MIP ou do IIP ao transdutor dependerá
da natureza física do transdutor.
11
Caso o transdutor seja um eletrodo sólido, como por
exemplo ouro e carbono vítreo, a imobilização pode ser dividida em dois grupos. O primeiro
grupo envolve o encapsulamento do MIP ou IIP nas matrizes suportes e, posteriormente, o
material é depositado sobre a superfície do transdutor. No segundo grupo, a imobilização do
MIP ou IIP é feita a partir da formação de filmes sobre a superfície do eletrodo, sendo o mais
empregado. Quando o transdutor apresenta características granulares, tendo como
8
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exemplos grafite em pó e Nanotubo de Carbono, o material seletivo é simplesmente
misturado com o material granulado formando um compósito.11,14
1.4.1.Imobilização por Oclusão
Consiste no encapsulamento de partículas de MIP ou IIP nas matrizes suportes, como
géis ou polímeros solúveis inertes, para a formação de membranas que podem ser fixadas
na superfície do transdutor. Apesar da facilidade da imobilização, existem algumas
desvantagens, entre elas as limitações difusionais, as ligações não específicas do analito
que podem acontecer na matriz suporte e a diminuição da capacidade de ligação, devido ao
bloqueio dos sítios específicos por parte do material usado como matriz suporte.11,14
1.4.2.Formação de Filmes Sobre a Superfície do Transdutor
1.4.2.1.Polimerização Direta do MIIP ou IIP Sobre o Transdutor
O método mais utilizado na construção de sensores baseados em MIP ou IIP é o uso de
filmes na superfície dos transdutores, sendo que há várias estratégias para obtenção desses
filmes. Em todos esses procedimentos, a síntese do polímero é realizada sobre a superfície
do transdutor. Esses filmes podem ser preparados por meio da polimerização de
monômeros funcionais, seguindo processos parecidos com os usados na polimerização em
“bulk”. Várias alternativas têm sido utilizadas para a obtenção dos filmes na superfície dos
eletrodos, como a adição de quantidades pequenas da solução de polimerização sobre a
superfície do transdutor e a imersão do transdutor em uma solução na qual a polimerização
já tenha sido iniciada, entre outras.11,14
1.4.2.2. Polimerização in situ
A síntese por polimerização in situ dos MIPs ou IIPs é frequentemente realizada pela
eletropolimerização, sobre a superfície condutora, como por exemplo ouro e grafite. Esta
técnica é de fácil condução, pois é realizada por sucessivas varreduras cíclicas de potencial
em solução contendo o monômero funcional e a molécula molde, podendo resultar em
filmes muito finos e com boa reprodutibilidade. Por esse processo ser realizado por
eletropolimerização, sua aplicação é limitada para construção de sensores que possuam
transdutores com superfícies condutoras, como os eletroquímicos.11,14
9
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1.4.3.Imobilização de MIP ou IIP em Compósitos
A imobilização de MIP ou IIP em compósitos constitui-se na formação de materiais
compósitos à base de grafite em pó. O método para a construção de sensores usando este
tipo de imobilização é o uso de pasta de carbono modificada, que possibilita a fácil
incorporação de partículas de MIP ou IIP no desenvolvimento de sensores eletroquímicos. A
principal vantagem desta imobilização é tornar o processo de limpeza destes sensores mais
simples, desta forma, após cada uso, a superfície do sensor pode ser facilmente renovada
por meio de um simples polimento mecânico da superfície. 11,14
2. OBJETIVO
Esta monografia tem como objetivo realizar uma revisão bibliográfica, tendo como base
artigos publicados em periódicos, sobre a aplicação de sensores modificados com MIP e IIP
em amostras farmacêuticas, ambientais e o estado-da-arte dessa metodologia analítica.
3. APLICAÇÃO DOS SENSORES BIOMIMÉTICOS
A determinação de espécies químicas em concentrações baixais (menores que µg/L)
representa, até os dias atuais, um dos maiores desafios para a Química Analítica.14 Para
tentar vencer esse desafio observou-se um aumento no desenvolvimento de sensores
químicos, sendo que os mais utilizados são os biossensores, devido as suas características,
como boa seletividade e possibilidade de serem portáteis, de pequeno tamanho e rápida
resposta. No entanto, a principal desvantagem desses biossensores está associada à pouca
estabilidade química e física, resultando em uma falta de estabilidade operacional e de
armazenamento, por essas razões os receptores artificiais têm atraído crescente
interesse.1,14
Como já mencionado, uma metodologia alternativa que envolve o uso de receptores
artificiais é a de impressão molecular e a impressão de íons, que apresentam alta
estabilidade
e
seletividade,
sendo
dessa
forma
uma
ótima
alternativa
para
o
1
desenvolvimento de sensores biomiméticos. Esses sensores biomiméticos podem ser
utilizados em várias áreas, como no controle de qualidade de alimentos e de medicamentos
e no controle ambiental, entre outros.
10
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
3.1.
Uso dos Polímeros Impressos Molecularmente (MIP) no
Desenvolvimento de Sensores Biomiméticos
Wulff e Sarhan publicaram pela primeira vez um trabalho que fazia uso de MIP em
Química Analítica, em 1972. Neste trabalho, eles descrevem a síntese do polímero com sítio
seletivo para separação enantiomérica de racematos de açúcares.13
A partir disso, o MIP vem sendo amplamente empregado em preparo de amostras,
em técnicas de separação, tais como, cromatografia líquida de alta eficiência, eletroforese
capilar, entre outras, visando, principalmente, a separação de espécies enantioméricas.13
Os estudos utilizando MIP em associação com técnicas eletroanalíticas vêm
crescendo nas últimas décadas, principalmente no desenvolvimento de sensores devido às
características oferecidas por esse material, tais como boa seletividade e possibilidade de
serem portáteis e sua rápida resposta.1,13 Por todas essas características, os MIPs tornamse promissores para a aplicação em várias áreas, como por exemplo, no controle de
qualidade de indústrias farmacêuticas.
3.1.1. Aplicação de Sensores Biomiméticos na Determinação de
Fármacos
Nas indústrias farmacêuticas, o controle de qualidade dos medicamentos é muito
importante, principalmente pelo aumento do seu consumo. Porém, foi somente na segunda
metade do século XX que governos de vários países adotaram medidas mais eficazes de
controle de qualidade dos medicamentos, por meio de legislações que estabelecem a
responsabilidade pela qualidade do produto oferecido ao mercado e o monitoramento dos
efeitos adversos e dos desvios de qualidade. 18
No Brasil, o órgão que estabelece e regulariza a legislação de controle de qualidade
nas indústrias farmacêuticas é a ANVISA, por meio da Resolução RDC nº 17, de 16 de abril
de 2010. Nesta resolução estão determinados os requisitos mínimos a serem seguidos na
fabricação de medicamentos que envolvem desde a chegada da matéria prima nas
indústrias, a produção dos medicamentos, os testes referentes à eficiência e formulação, as
embalagens utilizadas e o transporte desses produtos.19
11
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Além do controle de qualidade dos fármacos na indústria farmacêutica, é de extrema
importância sua determinação em amostras biológicas como os fluidos biológicos, devido a
problemas causados pelos fármacos no organismo humano, como por exemplo,
alucinações, vômitos, inflamações e em casos mais extremos até a morte e para o
acompanhamento da porcentagem de absorção do fármaco pelo organismo.20
Dessa forma, torna-se imprescindível o desenvolvimento de métodos analíticos
eficazes e confiáveis para a quantificação de baixas quantidades de fármacos em amostras
biológicas. Nesse sentido, pode-se destacar o uso de sensores desenvolvidos a partir dos
polímeros impressos molecularmente, pois eles apresentam seletividade elevada, boa
sensibilidade, preparo fácil e de baixo custo e armazenamento simples.13,21 Podemos
destacar alguns trabalhos recentes nessa área como o de Gholivand e Karimiam22 que
desenvolveram um sensor para ganciclovir (GCV) com base na eletropolimerização do MIP
com nanopartículas de ouro sobre Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas
funcionalizado com grupos carboxílicos (NTCPM-COOH). O ganciclovir é um antiviral
empregado no tratamento das infecções causadas pelo vírus da herpes, citomegalovírus,
entre outros, e também é utilizado em pessoas com AIDS e em diálise. Para a fabricação
deste sensor, primeiramente a suspensão de NTCPM-COOH foi depositada na superfície do
eletrodo de carbono vítreo e, em seguida, o eletrodo já modificado com NTCPM-COOH foi
imerso em uma solução tampão de fosfato pH 3, que continha o 2,2-Diaminodifenil
Dissulfeto como monômero funcional, as nanopartículas de ouro e o GCV como molécula
molde, realizando então a eletropolimerização, por meio da voltametria cíclica com o
potencial variando de -1,0 até 1,0 V, com velocidade de varredura de 50 mV/s durante 10
ciclos. A retirada da molécula molde foi realizada por voltametria cíclica com o potencial
variando de -1,0 até 1,0 V e velocidade de varredura de 100 mV/s até a obtenção de um
voltamograma cíclico estável. A Figura 3 apresenta o esquema da síntese do MIP para
GCV. A eletropolimerização do monômero funcional na superfície do eletrodo modificado
com NTCPM-COOH ocorre por interações não covalentes e/ou covalentes entre unidades
de amina, sulfeto, monômero funcional e matriz do polímero. As nanopartículas de ouro
causaram um aumento na velocidade de transferência de elétrons devido a sua elevada
condutividade e grande área superficial. O sensor proposto apresentou uma boa seletividade
e sensibilidade, com faixa linear de 5,0x10-8 - 5,0x10-4 mol L-1 e um limite de detecção de
1,5x10-9 mol L-1. A seletividade do sensor foi demonstrada na realização de testes com os
possíveis interferentes, como aciclovir, valaciclovir e cisteína entre outros, que não
influenciaram nas medidas de GVC. Este sensor também foi avaliado na determinação de
GVC em amostras reais de soro humano e apresentou uma boa recuperação de 96-103%.
12
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
22
Figura 3: Esquema da técnica de impressão do MIP para ganciclovir. Figura adaptada.
Outro trabalho atual utilizando MIP para a determinação de fármacos é o do Alizadeh
e Azizi23, que construíram um sensor para fluoxetina. A fluoxetina é um fármaco
antidepressivo muito utilizado. Ele é amplamente prescrito e age inibindo a absorção de
serotonina pelos neurônios no cérebro. A síntese do MIP foi realizada de acordo com o
procedimento de precipitação simples, no qual foram utilizados como monômeros funcionais
o ácido meta-acrílico (MAA) e o vinil benzeno, com a fluoxetina como molécula molde.
Esses reagentes foram colocados em um balão de fundo redondo e a mistura foi deixada
em contato por 10 minutos. Em seguida, foi adicionado o etileno glicol dimetacrilato
(EGDMA) como reagente de ligação cruzada e 2,2’-azo-bis-isso-butironitrila (AIBN) como
iniciador radicalar. O balão foi selado, a mistura foi purgada com nitrogênio durante 15
minutos e a polimerização realizou-se em banho de água a 60 ºC durante 24 h, sob
agitação. O ácido meta-acrílico interage por meio de ligações de hidrogênio entre aminas
13
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
secundárias e centros de flúor da fluoxetina. Já o vinil benzeno participa do complexo via
interações π-π que se encontram entre o anel benzênico da fluoxetina e do anel benzênico
do vinil benzeno. O sensor apresentou uma boa seletividade, já que os testes realizados
com possíveis interferentes, como oxazepam e clozapina, entre outros, não influenciaram no
sinal da fluoxetina. Apresentou também boa faixa linear, de 6,0x10-9 – 1,0x10-7 mol L-1, e
limite de detecção de 1,5x10-9 mol L-1. O sensor proposto apresentou uma boa recuperação
da fluoxetina em amostras reais de plasma humano e de cápsulas de fluoxetina.
Gohary e colaboradores24 desenvolveram um sensor utilizando um eletrodo de pasta
de carbono modificado com MIP para a determinação de fanciclovir (FCV). FCV é uma pródroga antiviral, utilizada para tratamento de herpes tipos I e II, e aos vírus de varicela-zoster
e Epstein-Barr. Nesse trabalho, os autores fizeram os estudos da otimização dos
parâmetros experimentais da síntese do MIP a partir de estudos computacionais, otimizando
a ligação entre o monômero e a molécula molde a partir da menor energia de ligação. Os
resultados obtidos demonstram que o complexo formado entre o ácido meta-acrílico
(monômero funcional) e o FCV é o mais estável e que a melhor razão entre eles é de 4:1.
Além do ácido meta-acrílico, também foram utilizados o etileno glicol dimetacrilato, como
reagente de ligação cruzada, e cloreto de metileno como solvente porogênico na síntese do
MIP pela polimerização em “bulk”. O uso da pasta de carbono com o MIP ofereceu várias
vantagens como a facilidade de preparação, os limites de detecção menores do que de
outros trabalhos da literatura, uma vasta gama de concentrações utilizáveis e alta
seletividade e estabilidade. O sensor proposto apresentou faixa linear de resposta de
2,5x10-6 – 1,0x10-3 mol L-1 e limite de detecção de 7,5x10-7 mol L-1. A seletividade do sensor
foi examinada na presença de várias substâncias interferentes, e não apresentou mudanças
na resposta da corrente para concentrações equimolares em relação ao analito e para
concentrações 10 vezes maiores que as do analito. Mas, para concentrações 100 vezes
maiores que o analito, houve interferência de duas substâncias, histidina e triptofano. No
entanto, esse nível de concentração de histidina e triptofano é muito mais elevado do que os
níveis normais encontrados em amostras biológicas, confirmando dessa forma que o sensor
proposto pode ser utilizado para determinar FCV nessas amostras. O sensor proposto foi
utilizado nas medidas de amostras reais do fármaco e apresentou uma boa recuperação, de
98,5 – 104,0%, apresentando também boa sensibilidade, seletividade e precisão.
Torkashvand e colaboradores25 desenvolveram um sensor para determinação de
ceftazidima (CFZ). A ceftazidima é um antibiótico betalactâmico do grupo das cefalosporinas
de terceira geração. CFZ é amplamente utilizada no tratamento de infecções provocadas por
micro-organismos Gram-positivos e Gram-negativos susceptíveis, como por exemplo,
14
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
infecções urinárias, faringites, sinusites, infecções respiratórias, infecções da pele, entre
outras. Para a síntese do MIP foi utilizado como monômero funcional o ácido meta-acrílico
(MAA), como reagente de ligação cruzada o N,N’-metileno-bis-acrilamina e como iniciador
radicalar o persulfato de amônio. O sensor proposto foi construído a partir de um eletrodo de
carbono vítreo. Primeiramente, foi gotejada sobre a superfície do eletrodo de trabalho uma
suspensão de Nanotubo de Carbono de Paredes Múltiplas funcionalizado com grupos
carboxílicos (NTCPM-C) e Dimetilformamida (DMF), e em seguida ocorreu a polimerização
do MIP sobre a superfície já modificada pela suspensão. Nesse processo, a molécula de
CFZ foi ligada aos grupos carboxílicos do Nanotubo de Carbono de Paredes Múltipla por
meio de ligações covalentes entre COOH e NH2 do CFZ, mediante a imersão do eletrodo
modificado NTCPM-C em solução de CFZ durante 4 h. Após a lavagem do eletrodo, o
polímero foi criado em torno da molécula molde pela incubação do eletrodo em solução
tampão fosfato (pH 3), que continha o monômero funcional, o reagente de ligação cruzada e
o iniciador radicalar por 5 h em temperatura ambiente. Por último, dendritos de prata (AgDs)
foram depositados sobre o eletrodo impresso por eletrodeposição potenciostática. Esse
sensor apresentou boa sensibilidade e seletividade, com uma faixa linear de 2,0x10-9 –
5,0x10-7 mol L-1 e 5,0x10-7 – 7,0x10-6 mol L-1 e um limite de detecção de 5,5x10-10 mol L-1. A
seletividade do sensor foi comprovada a partir de testes realizados com possíveis
interferentes, como cefixima e cefepima, podendo concluir que os interferentes não
influenciam nas análises de CFZ. O sensor proposto foi avaliado pela determinação de CFZ
em amostras reais de soro humano e de formulação farmacêutica, tendo uma recuperação
de 98 – 105%, comprovando que esse sensor pode ser utilizado para a determinação de
CFZ em amostras de diferentes matrizes.
Silva e colaboradores26 desenvolveram um sensor a partir da modificação de um
eletrodo de carbono vítreo modificado com uma suspensão de MIP e Nanotubo de Carbono
de Paredes Múltiplas (NTCPM) para a determinação de norfloxacino. Norfloxacino (NFX) é
um antibiótico da classe das fluoroquinolonas de segunda geração. As fluoroquinolonas são
agentes antibacterianos importantes desenvolvidos na década de 1980, sendo aplicadas na
medicina humana e veterinária. O NFX é usado para infecções do trato urinário, infecções
nas vias respiratórias, oculares e infecções de pele. O preparo do sensor foi feito a partir da
formação de uma suspensão entre NTCPM e dimetilformamida (DMF), que foi depositada
sobre a superfície do eletrodo de trabalho. Após a secagem da suspensão, o eletrodo foi
imerso na solução de polimerização, que continha pirrol, NFX, e H2SO4, dando início à
eletropolimerização do MIP, com a formação de um filme de polipirrol com sítios de ligação
para NFX. O sensor proposto apresentou uma faixa linear de 1,0x10-7 – 8,0x10-6 mol L-1 e
um limite de detecção de 4,6x10-8 mol L-1. O sensor também apresentou boa
15
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
reprodutibilidade, precisão, seletividade e fácil fabricação. Foram realizados testes com
possíveis interferentes, como uréia, ácido ascórbico e glicose, que demonstram que não há
alterações significativas na resposta da corrente de NFX, apenas a molécula de
enrofloxacino apresentou uma possível interferência. O sensor apresentou uma boa
recuperação para NFX em amostras reais de urina, comprovando sua eficiência e
seletividade para este fármaco.
Hosseini e Motaharian27 desenvolveram um sensor utilizando MIP enxertado na
superfície de Nanotubo de Carbono de Paredes Múltiplas (NTCPM) funcionalizado para a
determinação de diazepam (DZ). O diazepam é um medicamento do grupo dos
benzodiazepinas, que produz efeito calmante e é utilizado para tratar ansiedade, síndrome
de abstinência alcoólica, espasmos musculares e convulsões, entre outras. Para a síntese
do material, primeiramente foi realizada a modificação do NTCPM pela sua funcionalização
com o grupo vinilo (NTCPM-CH=CH2). Para a síntese do NTCPM-CH=CH2-MIP, o diazepam
como molécula molde e o ácido meta-acrílico como monômero funcional foram dissolvidos
em clorofórmio com agitação por 1 h. Em seguida, foram adicionados o etileno glicol
dimetacrilato, como reagente de ligação cruzada, e o NTCPM-CH=CH2, deixando em banho
de ultra-som por 30 minutos. Por último, foi adicionado o 2,2’-azo-bis-iso-butirontrila como
iniciador radicalar, após a formação das partículas poliméricas, a molécula molde foi retirada
por lavagem com metanol:ácido acético. Esse processo esta demonstrado na Figura 4. Em
seguida, esse material sintetizado foi utilizado para preparar o sensor à base de pasta de
carbono.
Figura 4: Esquema da síntese do NTCPM-CH=CH2-MIP para diazepam. Figura adaptada.
27
16
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Esse sensor apresentou boa sensibilidade, baixo limite de detecção, de 3,7x10-9 mol
L-1, e uma boa faixa linear, de 8,0x10-9 – 1,0x10-6 mol L-1. A aplicação do sensor em
amostras de diazepam em comprimidos e em soro humano apresentou uma boa
recuperação, 91,7- 100,2% de DZ, comprovando que o sensor proposto pode ser utilizado
na determinação DZ em amostras complexas. A seletividade do sensor foi avaliada pelo
estudo de possíveis interferentes como ácido úrico, ácido ascórbico, lorazepam e
oxazepam, entre outros, demonstrando que o desempenho do sensor desenvolvido não é
afetado, provando a seletividade do sensor para o DZ.
Outros trabalhos utilizando MIP como modificador para a determinação de fármacos
são apresentados na Tabela 2, com os pontos principais de cada trabalho, destacando a
polimerização utilizada na síntese do MIP, o principal reagente da síntese do MIP, o
monômero funcional e as principais características de cada sensor proposto.
Tabela 2: Trabalhos utilizando MIP para a determinação de fármacos.
Analito
Faixa
Polimerização
linear de
utilizada na
resposta
síntese do MIP
Monômero
(síntese MIP)
Outros
Limite
modificadores
de
utilizados
detecção
-1
Eletrodo
Amostra
Ref.
Carbono
Formulação
28
vítreo
farmacêutica
-1
(mol L )
(mol L )
Complexo
Nanoparticulas
de ouro
Metronidazol
-7
5,0x10 –
1,0x10
eletropolimerização
-3
-9
Vinil benzeno e
-7
ácido meta-
7,0x10 –
4,0x10 e
Prometazina
-7
4,0x10 –
7,0x10
Trimetoprim
ascórbico
-6
-6
1,0x10
1,2x10
-7
3,2x10
acrílico
-9
eletropolimerização
Pirrol
Grafeno
1,3x10
-7
-4
-10
1,0x10
Polimerização por
(AuNPs)
precipitação
1,0x10 –
1,0x10
Ácido
CobreMelamina
Pasta de
Soro
carbono
humano
Carbono
Urina
29
30
vítreo
-
eletropolimerização
-8
Ofenilenodiamina
e
Comprimidos
de vitamina
-
3,6x10
-7
O-aminofenol
Carbono
C e suco de
vítreo
laranja
31
Soro
humano e
Sulfadiazina
-7
2,0x10 –
1,0x10
-4
Polimerização por
ácido meta-
precipitação
acrílico
-
1,4x10
-7
Pasta de
leite de vaca
carbono
Fluidos
biológicos e
17
32
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Rivastigmina
-6
2,0x10 –
1,0x10
Sertralina
-3
-6
1,0x10 –
1,0x10
-2
Polimerização por
ácido meta-
radicais livres
acrílico
Polimerização por
ácido meta-
precipitação
acrílico
-
-
4,4x10
8,0x10
-7
-7
Pasta de
formulação
carbono
farmacêutica
Membrana
Fluidos
de PVC
biológicos
33
34
Nanotubos de
Carbono de
Metimazol
0,5 – 6,0
Polimerização por
ácido meta-
Paredes
0,048
Carbono
Formulação
mg/L
precipitação
acrílico
Múltiplas e
mg/L
vítreo
farmacêutica
35
e urina
Salen-Co*
Formulação
farmacêutica
Sulfassalazina
-8
1,0x10 –
1,0x10
-6
Polimerização por
ácido meta-
precipitação
acrílico
-
4,6x10
-9
Pasta de
e soro
carbono
humano
36
Soro
humano e
Prometazina
-7
5,0x10 –
1,0x10
Cafeína
-1
-8
6,0x10 –
2,5x10
-5
Polimerização por
Vinil-benzeno
-
1,0x10
-7
precipitação
Polimerização por
ácido meta-
precipitação
acrílico
-
1,5x10
-8
Membrana
formulação
de PVC
farmacêutica
Pasta de
Amostra de
carbono
chá
*Salen-Co ((R, R) - (-) - N, N-bis (3,5-di-terc-butil-salicilideno) -1,2-ciclo-hexanodiamina-acético- cobalto (III)).
3.2.
Uso
dos
Polímeros
Impressos
com
Íon
(IIP)
no
Desenvolvimento de Sensores Biomiméticos
Na década de 1970 foi publicado o primeiro trabalho desenvolvido com IIP, no qual
Nishide e Deguchi utilizaram poli(vinil-piridina) para extração de íons metálicos (cobre, ferro,
cobalto, zinco, níquel e mercúrio) em solução.39 A partir desse trabalho, houve um
crescimento na utilização dos IIPs em várias áreas da Química Analítica, apresentando uma
interessante aplicação comercial, como por exemplo na utilização como material extrator em
fase sólida para determinação de metais em níveis traço, ou como material para separação
de espécies coexistentes em matrizes complexas.14
A aplicação dos IIPs em sensores ainda precisa percorrer um longo caminho, pois os
polímeros impressos com íons não são condutores em sua grande maioria, resultando em
um dispositivo com baixo desempenho seletivo e baixa sensibilidade. Entretanto, a
18
37
38
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
associação de IIPs com nanopartículas metálicas ou materiais condutores eficientes, como
Nanotubos de Carbono, melhoram o desempenho do dispositivo.14,40
Uma das principais utilizações dos IIPs é na determinação de íons metálicos, que
tem sido realizada por diferentes tipos de sensores com transdução óptica, potenciométrica
e voltamétrica. Dentre esses sensores, o voltamétrico apresenta-se como o mais favorável
para a determinação de íons metálicos devido ao seu baixo custo, alta sensibilidade,
facilidade de operação e pela possibilidade de ser portátil. 14
3.2.1. Aplicação de Sensores Biomiméticos na Determinação de
Metais pesados
Os metais pesados possuem características próprias como aparência brilhante, boa
condutividade, número atômico superior a 20, densidade maior que 5 g/cm3, tóxicidade em
baixas concentrações, entre outras. 41
Esses metais acumulam-se no ambiente podendo interromper o crescimento das
plantas e afetar a vida animal. A contaminação por metais pesados representa um enorme
risco à saúde publica, pois são difíceis de serem eliminados e acumulam-se no organismo.42
As manifestações desses efeitos tóxicos podem distribuir-se por todo o organismo,
afetando vários órgãos, alterando processos bioquímicos, organelas e membranas
celulares. Em contato com o organismo, esses metais acabam atraindo duas substâncias
essenciais do corpo, proteínas e enzimas. Unindo a algumas delas e impedindo seu
funcionamento, o que pode levar à morte. Eles também podem se ligar às paredes
celulares, dificultando o transporte de nutrientes.42,43
Muitos metais são essenciais para o crescimento dos organismos, desde as
bactérias até o ser humano. O organismo necessita de pequenas quantidades de alguns
metais, como o cobre que ajuda a absorver vitamina C. Porém, esses mesmos metais em
concentrações altas são tóxicos para o organismo. 42,43
A atividade industrial tem contribuído muito para um aumento significativo nas
concentrações de íons metálicos em águas, representando uma importante fonte de
contaminação dos corpos aquáticos, principalmente quando consideramos que tais íons
podem ser disseminados via cadeia alimentar. 43
No Brasil, apenas uma pequena parte de todo o resíduo industrial perigoso gerado
recebe o tratamento adequado, conforme estimativa da Associação Brasileira de Empresas
19
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
de Tratamento, Recuperação e Disposição de Resíduos Especiais (ABETRE). O restante é
depositado indevidamente em lixões ou descartados em cursos de água sem qualquer tipo
de tratamento. 43
Dessa forma, a determinação de metais pesados é muito importante para a saúde
dos animais, dos seres humanos e das plantas. Com isso, o desenvolvimento de sensores
altamente sensíveis e seletivos é de grande importância na área ambiental e da saúde
pública.
Alguns trabalhos recentes tiveram como objetivo desenvolver sensores biomiméticos
para a determinação de metais pesados em amostras ambientais. Como exemplo, o
trabalho de Ghanei-Motlagh44 e colaboradores que sintetizaram um polímero impresso com
íon para determinação de mercúrio na superfície do óxido de grafeno reduzido (RGO). A
determinação de mercúrio em amostras de alimento, água ou mesmo biológicas é de grande
importância, pois a exposição mesmo em doses baixas pode levar a graves problemas do
sistema nervoso central e danos a órgãos vitais. Primeiramente, foi realizada a síntese do
RGO, a partir da redução do oxido de grafeno. Em seguida foi realizada a polimerização do
IIP pelo método de impressão em superfície. O primeiro passo da síntese do RGO-IIP foi a
diluição do mercúrio como molécula molde e DDBHCT como agente quelante em
acetonitrila, sendo que a solução foi agitada durante 1 h para a formação do complexo. Foi
então adicionada a mistura o RGO, o ácido meta-acrílico (MAA) como monômero funcional,
o etileno glicol dimetacrilato (EGDMA) como reagente de ligação cruzada e o persulfato de
amônio como iniciador radicalar. A solução resultante foi misturada durante 15 min e foi
utilizado o N2 gasoso para remover o oxigênio, deixando a solução em banho de água a 60
ºC por 24 h. Na Figura 5 está representada a síntese do IIP para mercúrio. Após a
polimerização, foi formada uma suspensão do RGO-IIP com Nafion que foi depositada sobre
a superfície do eletrodo de carbono vítreo. O processo eletroquímico baseou-se na
acumulação de íons Hg2+ na superfície de um eletrodo de carbono vítreo modificado com
RGO-IIP. Esse sensor apresentou boa faixa linear, de 3,5x10-10 – 4,0x10-7 mol L-1 e limite de
detecção de 9,9x10-11 mol L-1, sendo um resultado muito bom, pois está abaixo do permitido
pela Organização Mundial de Saúde (OMS) que é de 2,0 mg/L (9,9x10-6 mol L-1) de mercúrio
em água potável. O sensor também apresentou uma boa resposta nos testes realizados
com amostras reais de água e não sofreu interferência significativa de espécies comuns, tais
como Ni(II), Cd(II), Mn(II), Fe(II), Co(II), Pb(II), Cu( II), Zn(II) e Ag(I).
20
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Figura 5: Polimerização do IIP para mercúrio sobre a superfície do oxido de grafeno reduzido. Figura
44
adaptada.
Outro trabalho utilizando IIP para a determinação de metal pesado é o de Prasad e
45
Fatma , que desenvolveram um polímero impresso com íon utilizando a biomassa de algas
verdes-azuis como monômero e reagente de ligação cruzada e como iniciador radicalar o
2,2’-azo-bis-isso-butironitrila (AIBN). Foi utilizado juntamente com o IIP sintetizado um lápis
de grafite para a formação do sensor (alga-OMNiIIP/PGE) para a determinação de cobre. No
processo de formação do sensor, primeiramente foi sintetizado o monômero, a partir da
mistura entre a alga verde-azul, a trietilamina e o cloreto de acriloíla sob agitação constante
a 0 ºC por uma hora. O produto formado juntamente com a molécula molde e o iniciador
radicalar foram utilizados para a síntese do alga-OMNiIIP, por polimerização por radicais
livres, que está representado pelo esquema da Figura 6. A determinação de cobre é muito
importante, pois o cobre é um nutriente essencial, sendo necessário para o bom
funcionamento de sistemas de enzimas. Além disso, algumas pessoas sofrem reações
fisiológicas adversas devido ao acumulo excessivo de cobre no fígado, cérebro e nos olhos.
O sensor proposto apresentou boa faixa linear, de 1,3x10-10 – 1,2x10-7 mol L-1 e baixo limite
21
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
de detecção, de 2,8x10-11 mol L-1. O alga-OMNiIIP/PGE apresentou bons resultados de
recuperação de Cu2+ em amostras de água, solo, farmacêutica e soro sanguíneo humano,
na faixa de 96,0 – 103,4% de recuperação. Esse sensor apresentou uma boa seletividade
visto que os possíveis interferentes [Cd(II), dopamina, ácido ascórbico, Mg(II), Fe(III), Hg(II),
Mn(II), Pb(II), Zn(II), Co(II) e Ni(II)] não influenciaram nas análises de cobre(II).
Figura 6: Polimerização do Alga-OMNiIIP para a determinação de cobre II. Figura adaptda.
45
Bai e colaboradores46 desenvolveram um sensor à base de IIP e grafeno para a
determinação de paládio. O paládio é um material importante para as tecnologias modernas
como na fabricação de automóveis, sendo utilizado nos catalisadores para reduzir as
emissões de gases poluentes. Mas, apesar dos benefícios que esses catalisadores
apresentam, eles liberam elementos altamente tóxicos, como o paládio, que estão sendo
22
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
encontrados em concentrações altas em matrizes ambientais, como solo e plantas. Dessa
forma, a determinação de paládio é muito importante para a saúde e para o meio ambiente.
Nesse trabalho, foi utilizado um eletrodo de carbono vítreo modificado com grafeno e IIP. O
IIP foi sintetizado a partir da técnica de polimerização in situ sobre a superfície do eletrodo
de carbono vítreo já modificado com grafeno, utilizando 2-propenil-uréia como monômero
funcional, etileno glicol dimetacrilato (EGDMA) como reagente de ligação cruzada e 2,2’azo-bis-iso-butironitrla (AIBN) como iniciador radicalar. Esse sensor apresentou boa
recuperação de paládio em amostras de catalisadores automotivos e de plantas, em uma
faixa de 99,2 – 106,5%, além de não sofrer interferência significativa de possíveis
interferentes, como Zn(II), Co(II), Mg(II), Ni(II), Cu(II), Mn(II), Fe(III), Cd(II), entre outros. O
sensor desenvolvido também apresentou baixo limite de detecção, 6,4x10-9 mol L-1 e boa
faixa linear, de 2,0x10-8 – 2,0x10-4 mol L-1.
Behnia e colaboradores47 desenvolveram um sensor utilizando IIP para a
determinação zinco. O zinco é um elemento traço essencial para os seres humanos, animais
e plantas, sendo vital para muitas funções biológicas e desempenhando um papel
importante em mais de 300 enzimas no corpo humano. Mas, um aumento na dose de zinco
pode causar reações gastrointestinais, incluindo náuseas, vômitos e cólicas. Desse modo, a
determinação de zinco em amostras de soro de sangue, cabelo, água, solo e alimento são
de grande importância. O sensor proposto apresentou boa faixa linear, de 5,0x10-10 –
1,0x10-8 M, e baixo limite de detecção, 5,0x10-10 mol L-1. A síntese do IPP foi realizada por
polimerização térmica, utilizando como monômero funcional o estireno, como reagente de
ligação cruzada o etileno glicol dimetacrilato (EGDMA) e 2,2’-azo-bis-iso-butironitrila (AIBN)
como iniciador radicalar. O polímero sintetizado foi disperso em Náfion e em seguida
depositado sobre a superfície de um eletrodo de carbono vítreo. Foram realizados testes
com interferentes como Ni, Co, Cd e Cu, e o sensor não sofre interferência significativa. Os
testes em amostras de água apresentaram boa recuperação de zinco, demostrando que o
sensor proposto é bem eficiente.
Outros trabalhos que utilizam IIP como modificador para a determinação de metais
pesados podem ser vistos na Tabela 3, em que encontram-se os principais pontos de cada
trabalho, destacando a polimerização utilizada na síntese do IIP, o principal reagente da
síntese, o monômero funcional e as principais características de cada sensor proposto.
23
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
Tabela 3: Alguns trabalhos dos últimos seis anos utilizando IIP como modificador.
Íon
Faixa linear
Monômero
Polimerização
Limite de
de resposta
utilizado na
utilizada na
detecção
síntese do
síntese do IIP
-1
(mol L )
Eletrodo
-9
4-
Polimerização
Pasta de
-7
Vinilpiridina
por
carbono
2,5x10 5,0x10
Amostra
-1
Ref.
-10
48
-8
49
-10
50
-10
51
(mol L )
modificador
IIP
Mercúrio
Outro
-
Água
5,2x10
-
Águas
2,3x10
precipitação
Cobre
-8
7,0x10 -6
1,0x10 e
-6
1,0x10 1,0x10
Chumbo
4-
Polimerização
Pasta de
Vinilpiridina
em bulk
carbono
-4
-9
ácido meta-
Polimerização
Pasta de
-7
acrílico
por
carbono
1,0x10 8,1x10
residuais
e Acrilamida
-
Água
6,0x10
-
Água
5,2x10
5,4x10
-9
52
precipitação
Cádmio
-9
4-
Polimerização
Pasta de
-7
Vinilpiridina
por
carbono
ácido meta-
Polimerização
Pasta de
Nanotubo de
Cabelo e
acrílico
em bulk
carbono
Carbono de
água
1,0x10 5,0x10
precipitação
Cobre
-8
3,1x10 1,9x10
-6
Paredes
Múltiplas
Európio
-7
4-
Polimerização
Pasta de
-5
Vinilpiridina
em suspensão
carbono
5,0x10 3,0x10
-
Agua
1,5x10
-7
53
5,0x10
-9
54
1,0x10
-10
55
e ácido
meta-acrílico
Mercúrio
-8
ácido meta-
Polimerização
Carbono
Nanotubo de
Solo e
-4
acrílico
por
vítreo
Carbono de
água
1,0x10 7,0x10
precipitação
Paredes
Múltiplas
Chumbo
-10
3,0x10 -
Ditizona
-9
1,0x10 e
Polimerização
Pasta de
por
carbono
-
Batom e
água
precipitação
-8
1,0x10 1,0x10
Prata
-6
-9
ácido meta-
Polimerização
Pasta de
-7
acrílico
por
carbono
2,8x10 8,5x10
-
Água
9,0x10
-10
56
-
Água
3,0x10
-11
57
precipitação
Chumbo
-10
1,0x10 -8
1,0x10 e
-8
1,0x10 -
4Vinilpiridina
Polimerização
Pasta de
por
carbono
precipitação
24
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
1,0x10
Paládio
-5
-11
1,0x10 -9
1,0x10 e
4-
Polimerização
Pasta de
Vinilpiridina
por
carbono
-9
1,0x10 1,0x10
-8
1,2x10
Solo e
3,0x10
-12
58
-9
59
-10
60
-6
61
água
precipitação
-6
1,5x10 –
Tálio
-
ácido meta-
Polimerização
Pasta de
Nanotubo de
Cabelo e
acrílico
em Bulk
carbono
Paredes
água
-6
3,7x10
Múltiplas
Mercúrio
5,0x10
-10
-
Ditizona
-8
1,0x10 e
Polimerização
Pasta de
térmica
carbono
-
Água
1,0x10
-
Água
2,0x10
Água
12,0x10
-10
62
Água
3,07x10
-10
63
-8
8,0x10 2,0x10
Cobre
-6
-6
1,0x10 1,0x10
ácido acrílico
-1
Polimerização
Membrana
por
de PVC
precipitação
Prata
-9
4-
Polimerização
Pasta de
Nanotubo de
-7
Vinilpiridina
em Bulk
carbono
Carbono de
0,5x10 2,8x10
Paredes
Múltiplas
Urânio
-9
FP(percursor
Polimerização
Pasta de
-7
funcional
por processo
carbono
sintetizado)*
sol-gel
2,0x10 3,0x10
-
*FP- sintetizado pela reação entre 3-aminoquinolina(AQ) e 3-isocianato propil trimetoxisilano (ICTMS).
A partir desta revisão, podemos verificar e de certa forma contribuir com importantes
informações sobre o emprego desses novos materiais no desenvolvimento de sensores
biomiméticos visando à determinação de fármacos e de amostras ambientais, podendo ser
uma ótima alternativa para suplementar os métodos existentes com este propósito. Pois
apresentam a possibilidade de análise rápida, de baixo custo, sensível e altamente seletiva,
que pode ser feita tanto em laboratório quanto no local de produção ou em áreas ambientais
por serem dispositivos que possuem uma construção fácil.
Dessa forma, a utilização desses novos materiais, MIP e IIP, como modificador é
uma boa alternativa na modificação de sensores, e sua utilização pode ser explorada para
novos analitos e para outras técnicas, por exemplo, as cromatográficas, extração em fase
sólida, entre outras.
25
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2016
4. CONCLUSÃO
Com este trabalho foi possível verificar que o desenvolvimento de sensores empregando
a tecnologia de polímeros impressos molecularmente e ionicamente contribui muito nos
avanços no controle de qualidade de medicamentos e no controle ambiental.
Assim sendo, esta tecnologia apresenta-se como uma ferramenta promissora para o
desenvolvimento de sensores químicos principalmente por possuírem um reconhecimento
biomimético semelhante aos sistemas antígeno-anticorpo e/ou enzima-substrato. Os
sensores produzidos a partir dos MPs e IIPs apresentam algumas vantagens em relação a
outros modificadores, como o preparo fácil e de baixo custo, alta estabilidade e
principalmente a elevada seletividade.
De forma geral, esses sensores modificados com MIP e IIP podem ser aplicados em
varias áreas, destacando o uso no controle de medicamentos e em análises ambientais,
pois eles proporcionam análises mais rápidas, mais seletivas, com uma ampla faixa linear
de trabalho e baixos limites de detecção, o que é de grande importância nessas áreas.
Pode-se concluir então que as tecnologias de polímeros impressos molecularmente e
ionicamente oferecem uma nova ferramenta na procura de sensores químicos mais
seletivos, estáveis e sensíveis, e que eles podem ser uma alternativa viável quando
comparados com outros modificadores e com outras técnicas convencionais como as
cromatográficas.
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