Sensor Multivariado para Identificação de Compostos Orgânicos

6º Seminário de Iniciação Científica
Goiânia, de 29 de agosto a 01 de setembro de 2012
SENSOR MULTIVARIADO PARA IDENTIFICAÇÃO DE
COMPOSTOS ORGÂNICOS
PIBIT/CNPq e PIBIC/CNPq
1. Resumo
Este trabalho visa a construção de um sistema que possui respostas
multivariadas, ou seja, um conjunto de sinais analíticos em que cada sinal
representa uma reação quimica especifica. Ele é baseado em um suporte físico,
contendo uma pequena quantidade de um reagente quimico que produz uma reação
colorida para uma substância específica. Posteriormente, estes suportes são
analisados através de um programa computacional de tratamento de imagens, onde
será criado uma correlação entre cores e os compostos orgânicos utilizados. Tratase de um método baseado no conceito de sensores multivariados conhecidos como
”Nariz eletrônico” e “Língua eletrônica”. Ele será baseado na execução e análise de
reações de compostos orgânicos executadas em micro escala, sem a necessidade
de gastos com solventes e também com mínima geração de resíduos. Tem como
objetivo utilizar uma metodologia analítica através do estudo de reações orgânicas
características, bem como as possíveis aplicações do método, como por exemplo, a
detecção de compostos orgânicos em água ou em contaminações em geral.
Palavras-chave: análise multivariada, língua eletrônica, orgânicos, tratamento de
imagens.
2. Introdução
O conceito de sensor multivariado conhecido como “Língua eletrônica” ou
“Nariz eletrônico” não é novo, sendo que existem artigos publicado sobre o assunto
há mais de 10 anos. A “Língua eletrônica” é um instrumento analítico que
compreende um arranjo em forma de matriz não-específica de sensores químicos
com baixa seletividade e com especificidade parcial para diferentes compostos
químicos em solução aquosa, sendo necessário um método de reconhecimento de
padrões e / ou calibração multivariada para o processamento de dados (LEGIN,
2012). De importância primordial é a estabilidade do comportamento do sensor e
que tenha uma resposta reprodutível para diversas espécies em solução. Se
devidamente configurada e calibrada, a “língua eletrônica” é capaz de determinar a
composição quantitativa para múltiplos componentes e reconhecer, distinguir,
classificar e identificar especies em meios líquidos de natureza diferente. Uma
característica única, é a possibilidade de manter uma correlação entre a resposta da
“língua eletrônica” e a percepção humana em relação a sabores no que diz respeito
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a natureza quimica destes (LEGIN, 2012). Após uma calibração apropriada a “língua
eletrônica” pode produzir resultados na forma de uma classificação sensorial
semelhante ao que o ser humano pode fazer, como avaliações de várias
caracteristicas simples e complexas de gosto e sabor de produtos diferentes. A
“língua eletrônica” pode identificar matérias-primas, produtos semi-acabados e ainda
novos produtos que ainda não estão autorizados para consumo humano (LEGIN,
2012). O número de publicações científicas relativas ao tratamento de imagens e
obtenção de dados qualitativos e quantitativos tem aumentado muito nos últimos
anos. O desenvolvimento e o barateamento dos equipamentos de informática tem
relação direta com este processo, facilitando a manipulação e o tratamento de
imagens, mesmo com grandes resoluções que geram arquivos “pesados”
(SCHIMIDT, 1997). Ao se trabalhar com tratamento de imagens, uma nova maneira
de visualização dos dados deve ser introduzida. Um conjunto de imagens é
processado e o resultado final pode ser, por exemplo, a distribuição espacial da
concentração, informações sobre fenômenos de superfície e similaridades ou
desigualdades (classificação) entre materiais que passaram por algum processo
(MATOS et al, 2003).
3. Objetivos
Desenvolver um arranjo de sensores multivariados baseados em reações
quimicas de compostos orgânicos em pequena escala, destinado a identificação e
classificação de compostos orgânicos através de reações coloridas. Além de iniciar
de uma promissora linha de pesquisa que permite desenvolver um tipo de sensor de
baixo custo, bastante específico em relação as suas respostas, mas com um grande
campo de aplicações, particularmente na área ambiental.
4. Metodologia
As reações químicas de compostos orgânicos são feitas em pequena escala
sobre uma placa de petri. A amostra contendo substâncias a serem determinadas
estará dissolvida em meio aquoso. Pequenas porções destas soluções serão então
colocadas sobre a placa, quantidades fixas dos reagentes serão adicionadas e
produzem cores características de cada reação, em função da seletividade do
reagente. A aquisição das imagens das placas de petri é feita através de um scanner
de mesa, marca HP. Testes mostraram a eficiência de três reagentes bastante
sensíveis e que estão sendo utilizados neste projeto: o permanganato de potássio
que produz reações de cor marrom até violácea devido sua reação de oxidação de
duplas ligações. A 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4 DNF) reage com o grupo carbonila
produzindo complexos de tonalidade amarela, e finalmente o cloreto férrico reage
com anéis aromáticos produzindo complexos multicoloridos que vão do amarelo ao
vermelho e também tonalidades azuis (GARCÊS, 2012; ALLINGER,1978). O
tratamento de dados esta sendo feito através do software MATLAB, utilizando-se um
toolbox específico para trabalhar com imagens.
5. Resultados e discussão
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Figura 1 – Reação de alguns aminoácidos com KMnO4 e variação com o tempo.
Os primeiros testes foram feitos com soluções aquosas de 10 aminoácidos
diferentes (Cistina, Arginina, Prolina, Fenilalanina, Tirosina, Glicina, Histidina,
Cisteína, Triptofano e Alanina ) para testar a seletividade das reações químicas com
permanganato de potássio (Figura 1), 2,4 DNF (Figura 2) e Cloreto Férrico (Figura
2).
A Figura 1 mostra a variação de tonalidades para 6 aminoácidos testados. O
teste mostra uma grande seletividade, ou seja, uma grande variação de tonalidade
para o reagente empregado, sendo que o tempo ideal de reação seria próximo a 37
min, onde há maior variação entre todos os aminoácidos testados.
Figura 3 – Reação dos aminoácidos com 2,4 DNF
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Figura 4 – Reação dos aminoácidos com Cloreto Férrico.
As Figuras 3 e 4 mostram a variação de tonalidades para os 10 aminoácidos
testados mais o controle, utilizando-se para os reagentes 2,4 DNF e Cloreto Férrico,
respectivamente, que também possuem uma boa seletividade para os compostos
testados e não sofreram variação com o tempo.
6. Conclusão
As análises das amostras em soluções aquosas demonstraram variação de
cor com os três reagentes testados, sendo possível diferenciar os grupos orgânicos
presentes nas amostras. Novos testes continuam sendo feitos e serão incluídos no
relatório final deste projeto, principalmente em relação ao tratamento dos dados.
7. Referências
ALLINGER, Norman L, e colaboradores, Química Orgânica, Ed. Guanabara Dois,
2ª. ed, 1978.
GARCÊS, B., Análise Orgânica Qualitativa: Estudo da Reatividade Relativa de
Grupos Funcionais por meio de Reações Orgânicas Clássicas. Disponível em:
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAjEcAl/apostila-analise-organica-classica.
Acesso em: 06 fev. 2012.
LEGIN, Andrey. Laboratory of Chemical Sensors of St. Petersburg University,
Russia. Disponível em: <http://www.electronictongue.com>. Acesso em: 17 fev.
2012.
MATOS, G. D. ,Pereira-Filho, E. R., Poppi, R. J., Arruda, M. A. Z.. Revista
Analytica. Ago/Set 2003, Nº.6, pag.38-50.
SCHIMIDT, F. Dissertação de Mestrado, Biblioteca do Instituto de Química,
UNICAMP, Campinas-SP,1997.
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