dissertaÇÃo revisada

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Jaqueline Pires Ruiz Desenvolvimento e caracterização de eletrodos baseados em nanotubos de carbono de paredes múltiplas decorados com nanopartículas de ouro para detecção de NO Exemplar revisado O exemplar original encontra-se em acervo reservado na Biblioteca do IQSC-USP São Carlos, 2013 Dissertação apresentada ao Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências. Área de concentração: Química Analítica Orientador: Prof. Dr. Sergio Antonio Spinola Machado

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  • Jaqueline Pires Ruiz

    Desenvolvimento e caracterizao de eletrodos baseados em nanotubos de carbono de paredes mltiplas decorados com nanopartculas de ouro para deteco de NO

    Exemplar revisado O exemplar original encontra-se em

    acervo reservado na Biblioteca do IQSC-USP

    So Carlos, 2013

    Dissertao apresentada ao Instituto de Qumica de So Carlos da Universidade de So Paulo como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias.

    rea de concentrao: Qumica Analtica

    Orientador: Prof. Dr. Sergio Antonio Spinola Machado

  • Somos gratos pela curiosidade e engenhosidade dos qumicos que nos precederam. Sem seus esforos, nunca teramos experimentado o entendimento e a fascinao que constituem a alegria da qumica."

    PENNY LE COUTEUR / JAY BURRESON

  • Agradecimentos

    A Deus pela vida, pela coragem e pela fora para nunca desistir;

    Aos meus pais, Sonia e Benjamim, pela amizade, pelo apoio, por cada ensinamento e por me mostrarem que a educao era o bem mais valioso que eu poderia herdar;

    Ao meu namorado Renato por todo o apoio, ajuda, compreenso e carinho durante todos esses anos e os que ainda viro;

    Ao Prof. Dr. Sergio A. Spinola Machado, por toda ateno e pacincia durante essa orientao. Pela recepo no grupo GMEME com plenos recursos para o desenvolvimento deste projeto, alm da confiana a qual espero um dia poder retribuir; Ao tcnico Joo Tiengo, pelos interminveis trabalhos na oficina, alm da disponibilidade em ajudar em tudo o que fosse necessrio; Ao Dr. Marcelo Luiz Calegaro por toda a ajuda principalmente com as anlises de RaioX;

    Ao professor Doutor Antnio Ricardo Zanatta do IFSC- USP pelas as medidas de Raman;

    Prof Dr Ivani Aparecida Carlos, amiga e orientadora de Iniciao Cientfica, que fez com que eu me apaixonasse pela pesquisa. Alm de todos os professores que passaram por minha vida e contriburam para o meu crescimento;

    Aos meus queridos amigos qumicos (Lari, Alexandre, Yara, Wnia, Lu, Paula(s)...) que conheci na graduao e espero que todos alcancem seus objetivos; s amigas Sara, Milena, Raquel, Claudia por me entenderem! A todos do GMEME pela amizade e por estarem sempre dispostos ajudar, fazendo do grupo uma segunda famlia;

    Obrigada!

  • "Voc entende a relatividade quando v que duas horas prximo a sua namorada parecem um minuto. Ponha sua mo num forno quente por um minuto, e isto lhe parecer duas horas. Isto relatividade."

    ALBERT EINSTEIN

  • Resumo

    O xido ntrico alm de poluidor ambiental, tambm desempenha diversas funes no organismo, por exemplo, trata-se de uma molcula sinalizadora em diversos processos metablicos. Por causa disso, a deteco de NO uma importante ferramenta para a medicina. Assim, existe um significante interesse tanto da indstria como da medicina no desenvolvimento de novos materiais que possam detectar oxido ntrico Os Nanotubos de Carbono de Paredes Mltiplas, intensivamente explorados desde sua descoberta em 1991, so considerados promissores em diversas aplicaes devido a sua estrutura nica e a possibilidade de realizar modificaes as quais influenciam suas propriedades fsicas e qumicas. J o ouro, conhecido por sua baixa atividade catalca quando utilizado na forma cristalina, comeou a ter seu poder cataltico explorado a partir de 1985, quando descobriu-se que, se utilizado na forma de pequenas partculas, este comporta-se mais como tomos individuais e torna-se mais cataltico que o ouro cristalino. Assim, o objetivo deste trabalho foi promover a funcionalizao dos nanotubos de carbono, o que pode ser confirmado por MEV, FTIR e RAMAN, e, a partir dos grupos funcionais gerados, ancorar nanoparticulas de ouro em suas paredes, a fim de otimizar as propriedades catalticas do material. O material gerado foi caracterizado morfologicamente e estruturalmente por MEV-FEG, EDX, Raio-X, RAMAN e UV-vis.

    J a caracterizao eletroqumica foi feita por voltametria cclica frente ao K4[Fe(CN)6], com o qual foi possvel mostrar um aumento na densidade de corrente de pico, o deslocamento do potencial de pico para valores menos positivos e tambm a diminuio do sobrepotencial, quando comparados o sensor Nfion/AuNP/MWCNT/GC com o Nfion/GC, Nfion/MWCNT/GC e Nfion/Ouro. O eletrodo proposto foi utilizado na determinao de xido Ntrico, em tampo PBS pH 4,4, utilizando a tcnica de voltametria de pulso diferencial. A metodologia proposta apresentou um limite de deteco de 2,4x10-10 mol L-1 e um limite de quantificao de 7,9x10-10 mol L-1. Assim, este trabalho mostrou a potencialidade de utilizao do eletrodo Nfion/AuNP/MWCNT/GC como sensor eletroqumico para deteco e quantificao de xido ntrico.

    PALAVRAS-CHAVE: sensor, nanotubos, nanopartculas de ouro, xido ntrico.

  • Abstract

    Nitric oxide (NO) is an environmental polluter, which also plays several roles in the body, for example, as a signaling molecule for many metabolic processes. Because this, detecting NO is an important tool in medicine. As a result, there was significant interest in both industry and medicine in developing new materials that can detect NO. Multiwall carbon nanotubes, that have been intensively explored since its discovery in 1991, are considered promising in many applications due to its unique structure and because it can be easily modified in order to tuning their physical and chemical properties. But the interest in using gold as the catalytic material appeared only in 1985, when was discovered that small particles form of gold behaves as individual atoms and it are more catalytic that crystalline gold. In this way, the objectives of this study were promoted the functionalization of carbon nanotubes - which could be confirmed by SEM, FTIR, Raman and, with the functional groups generated, anchoring gold nanoparticles in their walls, in order to improve the catalytic properties of such material. The developed material was morphologically and structurally characterized by FEG-SEM, EDX, X-ray, Raman and UV-vis. As well, the electrochemical characterization was performed by cyclic voltammetry in K4[Fe(CN)6] solution. When Nafion/AuNP/MWCNT/GC sensor was compared with Nfion/GC, Nfion/MWCNT/GC and Nfion/Gold, its show an increase in current density peak, the peak potential displacement to less positive values and also decreased potential difference between the cathodic and anodic peak. The proposed electrode was used in the determination of nitric oxide in PBS buffer pH 4.4, which showed a detection limit of 2,4x10-10 mol L-1 and a quantification limit of 7,9x1010 mol L-1 using the differential pulse voltammetry. Thus, this study demonstrated the potential use of Nafion/AuNP/MWCNT/GC electrode as an electrochemical sensor in the nitric oxide detection and quantification.

    KEYWORDS: sensor, nanotube, gold nanoparticle, nitric oxide.

  • Lista de ilustraes

    Figura 1: Diferentes formas de materiais baseados em carbono. ....................... 15 Figura 2: (a) Como os vetores a1 e a2 podem ser utilizados para descrever o

    enrolamento da folha de grafite; tubos do tipo (b) cadeira, (c) zigzag e (d) quiral. ....... 16 Figura 3: Representao dos (A) SWCNT (B) DWCNT (C) MWCNT ............. 16 Figura 4: Micrografias mostrando o dimetro dos nanotubos: CNTs alinhados com

    (a) 40-50 nm e (b) 200-300 nm. ..................................................................................... 18 Figura 5: Esquema do processo de ancoramento das AuNP por interao

    eletrosttica. .................................................................................................................... 22

    Figura 6: Desenho esquemtico da sntese AuNP/MWCNT. (1) Pr-mistura utilizando ultrassom. (2) adio do HAuCl4. (3) Os tomos de Au reduzidos agem como uma semente para outros tomos de Au. (4) AuNP depositados no MWCNT. ............. 24

    Figura 7: Deteco de NO por Quimiluminescncia. ......................................... 28 Figura 8: Esquema ilustrativo da cela utilizada nos estudos eletroqumicos. ..... 38 Figura 9: Imagens de MEV dos MWCNT (a) sem tratamento prvio, (b)

    Submetidos ao tratamento com HNO3 3M (c) Submetidos ao tratamento com HCl 5 mol L-1, (d) Submetidos ao tratamento trmico. .................................................................... 42

    Figura 10: Espectros Raman dos nanotubos antes da funcionalizao (MWCNTsf) e aps a funcionalizao (MWCNTf). ............................................................................ 44

    Figura 11: Espectros de FTIR dos nanotubos de carbono antes do processo de funcionalizao (--- MWCNTsf) e aps a funcionalizao (---MWCNTf) ................... 45

    Figura 12: Espectros de EDX das sinteses de AuNP utilizando sonda ultrassnica a (a) 30% e (b) 100% ..................................................................................................... 46

    Figura 13: Imagens de MEV-FEG das snteses de AuNP utilizando sonda ultrassnica a (a) 30% e (b) 100% ................................................................................. 47

    Figura 14: Perfil voltamtrico das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (---) na s1 ultrassom a 30% e (---) na s2 ultrassom a 100%........................................................ 48

    Figura 15: (a) Espectro de UV-vis do sobrenadante das snteses (---) s2 e (---) s3. Fotos digitais dos sobrenadantes das snteses (b) s2 e (c) s3.......................................... 49

    Figura 16: Espectros de EDX das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (a) 1,55 x10-3 mol L-1 e (b) 1,55 x10-4 mol L-1 de Na3C6H5O7 .................................................... 50

    Figura 17: Imagens de MEV-FEG das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (a) 1,55 x10-3 mol L-1 (s2) e (b) 1,55 x10-4 mol L-1 (s3) de Na3C6H5O7 .............................. 51

  • Figura 18: Perfil voltamtrico das snteses de Nfion/AuNP/MWCNT/GC utilizando (---) na s2 1,55 x10-3 mol L-1 mol L-1 de C6H5O7Na3 e (---) na s3 1,55 x10-4 mol L-1 de C6H5O7Na3 em H2SO4 0,1 mol L-1 ................................................................ 53

    Figura 19: DPV na presena de 6,75 mol L-1 de NO, em tampo PBS pH 4,4, utilizando o eletrodo Nfion/AuNP/MWCNT/GC recm preparado (---), e aps a ativao (---). .................................................................................................................. 54

    Figura 20: Eletrodos de Nfion/AuNP/MWCNT/GC submetidos aos pr-tratamentos 1(---), 2(---) e 3(---) em H2SO4 0,1 mol L-1, v = 100 mVs-1 ........................ 55

    Figura 21: Comparao das CV do eletrodo Nfion/AuNP/MWCNTs2/GC quando submetidos a ativao em meios diferentes, em H2SO4 0,1 mol L-1(---) ou PBS pH 4,4 (---), na presena de 1 mmol L-1 de K4[Fe(CN)6], v = 100 mVs-1 ..................... 56

    Figura 22: Comparao das snteses Nfion/AuNP/MWCNT/GC s1 (---), s2 (---) e s3 (---) na presena de 1 mmol L-1 de K4[Fe(CN)6] em meio de H2SO4 0,1 mol L-1 ........................................................................................................................................ 57

    Figura 23: Comparao das snteses Nfion/AuNP/MWCNT/GC s1 (---), s2 (---) e s3 (---) na presena de 9,0x10-6 mol L-1 NO em tampo PBS pH 4,4. .................. 58

    Figura 24: Imagem de MEV-FEG (a) MWCNT funcionalizados e (b) AuNP/MWCNTs2 .......................................................................................................... 60

    Figura 25: Voltametria cclica em H2SO4 0,1 mol L-1, v = 100 mV s-1 utilizando como eletrodo de trabalho Nfion/AuNP/MWCNTs2/GC (---) ou Nfion/MWCNTf/GC (---) ......................................................................................... 61

    Figura 26: Difratogramas de raio-X do (a) MWCNTf e (b) AuNP/MWCNT s2 62 Figura 27: Anlise de RAMAN das amostras de AuNP/MWCNT s2 (---) e

    MWCNT funcionalizado (---) ........................................................................................ 63 Figura 28: Voltametrias cclicas na presena de 1 mmol L-1 de K4[Fe(CN)6], em

    H2SO4 0,1 mol L-1, v = 100 mV s-1 dos eletrodos: (---) Nfion/GC, (---) Nfion/Ouro, (---) Nfion/MWCNTf/GC, (---) Nfion/AuNP/MWCNTs2/GC ........................... 64

    Figura 29: Voltamogramas obtidos com o mesmo eletrodo em dias diferentes, na presena de 1,0x10-3 mol L-1 de K4[Fe(CN)6]. (b) Densidades de corrente de pico faradaicas em funo do tempo de estocagem................................................................ 65

    Figura 30: Voltamogramas cclicos obtidos com eletrodos recm preparados na presena de 1,0x10-3 mol L-1 de K4[Fe(CN)6]. ............................................................... 66

    Figura 31: Voltametria cclica em tampo PBS pH 4,4, na ausncia (---) e presena (---) de 9,0x10-6 mol L-1 de NO. ..................................................................................... 67

  • Figura 32: Variao da velocidade de varredura, de 50 a 400 mV s-1, na presena de 9,0x10-6 mol L-1 de NO em tampo PBS pH 4,4. ...................................................... 68

    Figura 33: DPV Variando o pH do tampo PBS, em uma faixa de 2 a 8, na presena de 9,0x10-6 mol L-1 de NO utilizando os parmetros: mt = 0,02s it = 0,1 sp = 0,002 ma = 0,05 .............................................................................................................. 69

    Figura 34: Variao do interval time de 0,1 s a 0,5 s, fixando o step potential em 0,005 V, o modulation time = 0,05 s e modulation amplitude = 0,1 V ....................... 70

    Figura 35: Variao do modulation amplitude de 0,01 V a 0,05 V, fixando step potential = 0,005 V, modulation time = 0,01 s e interval time = 0,5 s ........................ 70

    Figura 36: Variao do modulation time de 0,01 s a 0,05 s fixando step potential = 0,005 V, interval time = 0,5 s e modulation amplitude = 0,1 V ................................ 71

    Figura 37: Voltamogramas de DPV utilizando o eletrodo de GC modificado com AuNP/MWCNT, na presena de 0; 2,5; 4,5; 6,75; 9; 11,25; 13,5; 15,75; 18; 20,25; 22,5 mol L-1 de NO, realizadas em triplicata (a,b,c), e as curvas analticas de IP versus [NO] com a aproximao linear da mdia destas (d). .............................................................. 72

    Figura 39: Voltamogramas de DPV utilizando o eletrodo de GC modificado com AuNP/MWCNT, na presena de 188,4; 169,56; 150,72; 131,88; 113,04; 94,2; 75,36; 56,52; 37,68; 18,84; 0 mol L-1 de NO2-, realizadas em triplicata (a,b,c), e as curvas analticas de IP versus [NO2-] com a aproximao linear da mdia destas (d). .............. 74

  • Lista de tabelas

    Tabela 1: Quantidades de FENO para o diagnstico de sintomas respiratrios crnicos. .......................................................................................................................... 27

    Tabela 2: Principais metodologias para determinao de NO revisadas neste trabalho. .......................................................................................................................... 31

    Tabela 3: Reagentes utilizados no presente trabalho. ......................................... 33 Tabela 4: Composio das solues tampo PBS, para o preparo de 200 mL de

    soluo aquosa. ............................................................................................................... 34

    Tabela 5 : Snteses realizadas. ............................................................................ 40 Tabela 6: Valores das bandas D, G e D normalizada para os nanotubos antes do

    processo de funcionalizao (MWCNTsf) e aps o processo (MWCNTf). ................... 44 Tabela 7: Sumarizao da caracterizao das snteses s1, s2 e s3 ...................... 59

  • Lista de abreviaturas e siglas

    MWCNT Nanotubo de carbono de paredes mltiplas MWCNTf MWCNT funcionalizado S1 Sntese 1

    S2 Sntese 2 S3 Sntese 3

    AuNP Nanoparticula de ouro MEV Microscopia eletrnica de varredura FEG Canho de eltrons EDX Energia dispersiva de Raio-X FTIR Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier GC Carbono vtreo CV Voltametria cclica DPV Voltametria de pulso diferencial i Corrente I Densidade de corrente E (V) Potencial (volts) IPA densidade de corrente do pico andico PBS Soluo tampo fosfato mt Modulation time it Interval time

    sp Step potential

    ma Modulation amplitude

  • Sumrio

    1 Introduo..................................................................................................... 14

    1.1 Nanotubos de carbono .......................................................................... 15

    1.2 Nanotubos de Carbono Modificados .................................................... 19

    1.3 Nanopartculas de Ouro ........................................................................ 21

    1.4 xido Ntrico ........................................................................................ 26 1.4.1 Propriedades qumicas53 .................................................................. 26

    1.4.2 Importncia do em sistemas biolgicos ........................................... 26

    1.4.3 Determinao de xido Ntrico ....................................................... 28 1.4.4 Estado da arte da determinao eletroqumica do xido ntrico ...... 30

    2 Objetivos ...................................................................................................... 32 3 Experimental ................................................................................................ 33

    3.1 Reagentes .............................................................................................. 33

    3.2 Solues ................................................................................................ 33

    3.3 Metodologias ........................................................................................ 35

    3.3.1 Microscopia Eletrnica de Varredura/Energia dispersiva de raio-X 35

    3.3.2 Difrao de Raio-X .......................................................................... 36

    3.3.3 Espectrometria Raman ..................................................................... 36

    3.3.4 Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier ..... 36

    3.3.5 Espectrometria de Absoro Molecular no Ultravioleta-visvel ..... 37

    3.3.6 Eletrodos e Sistema Eletroqumico .................................................. 37

    3.4 Purificao e Funcionalizao dos MWCNTs ...................................... 39

    3.5 Decorao dos MWCNTs com Nanopartculas de Ouro ...................... 39

    3.6 Preparao das suspenses AuNP/MWCNT e MWCNT ..................... 40

    3.7 Preparao dos eletrodos de trabalho .................................................... 40

    4 Resultados e discusso ................................................................................. 41

    4.1 Purificao e funcionalizao dos MWCNT ........................................ 41

  • 4.1.1 Caracterizao morfolgica e estrutural .......................................... 41

    4.2 Sntese das Nanopartculas de Ouro sobre os Nanotubos de Carbono . 45

    4.2.1 Efeito da intensidade do ultrassom na sntese das AuNP/MWCNT 46

    4.2.2 Efeito da concentrao de Citrato de Sdio na sntese das AuNP/MWCNT ...................................................................................................... 48

    4.2.3 Pr-tratamento dos Eletrodos ........................................................... 53

    4.2.4 Comparao das snteses frente ao par redox Fe(CN3)-3/ -4 ............. 57

    4.2.5 Comparao das snteses frente ao NO ........................................... 58

    4.3 Comparao entre AuNP/MWCNTs2 e MWCNT ............................... 60

    4.3.1 Comparao dos eletrodos frente ao par redox Fe(CN3)-3/ -4 ........... 63

    4.3.2 Reprodutibilidade ............................................................................ 65

    4.4 Determinao de xido Ntrico ............................................................ 66 4.4.1 Teste de pH ...................................................................................... 68

    4.4.2 Otimizao dos parmetros da DPV ................................................ 69

    4.4.3 Curva Analtica para o xido ntrico ............................................... 71

    4.4.4 Influncia do Nfion ........................................................................ 73

    5 Consideraes finais ..................................................................................... 75

  • 14

    1 Introduo

    O xido ntrico (NO), substncia de estudo neste trabalho, alm de ser um conhecido poluidor ambiental, por ser gerado em processos de combusto, biologicamente importante, pois desempenha diversas funes no organismo, podendo ser utilizada como molcula sinalizadora de diversos processos metablicos, assim como em medicamentos.

    Trata-se de uma linha tnue que separa o NO como uma substncia txica do NO teraputico. Este capaz de causar irritao das mucosas, dor de cabea, sufocamento, vertigem, edema pulmonar, queimaduras, forte vermelhido dos olhos, conjuntivite e opacificao dos olhos.

    NO tambm pode ser utilizado como um importante medicamento, ministrado diretamente na forma de gs por pacientes com hipertenso pulmonar grave1, ou atravs de medicamentos geradores de NO, como o VIAGRA, usados por homens com disfuno ertil, o NIPRIDE, utilizado na reduo imediata da presso sangunea e o AnimalNitro, utilizado como suplemento por praticantes de musculao por aumentar o fluxo sanguneo nos msculos, aumentando a contrao muscular e deixando o msculo dilatado.

    Assim, a quantificao de NO de maneira rpida, sensvel e confivel de grande importncia prtica tanto nas indstrias quanto na medicina. Hoje, est disponvel no mercado o Sievers Nitric Oxide Analyzer (NOA 280i), um determinador total de NO (NO, nitrito, nitrato e nitrotiis) para amostras lquidas e gasosas, baseado em quimiluminescncia, com a desvantagem de possuir 16 kg, ter a necessidade de um equipamento de vcuo com mais 21,5 kg, e possuir um custo alto de aquisio e manuteno2. Outro equipamento o NIOX-MINO, tambm baseado em quimiluminescncia o qual, ao contrrio do anterior, porttil. No entanto, necessita que o ar seja exalado em fluxo constante durante 6 s alm possuir um tempo limitado de uso, fato que o encarece ainda mais3. Neste contexto, o uso de mtodos eletroanalticos aparece como a possibilidade de desenvolver um sensor alternativo aos presentes no mercado.

    As vantagens dos mtodos eletroqumicos incluem seletividade entre espcies eletroativas, alta sensibilidade, janela de deteco linear ampla, instrumentao porttil e

  • 15

    de baixo custo, alm da possibilidade de explorar diferentes materiais de eletrodos com diferentes aplicabilidades4.

    Neste trabalho foram exploradas as propriedades dos nanotubos de carbono, material largamente explorado atualmente, associados com as propriedades das nanopartculas de ouro, tambm largamente exploradas atualmente em diversas reas.

    A seguir, so discutidas as propriedades e aplicabilidade de ambos os materiais alm do efeito sinergtico desta combinao.

    1.1 Nanotubos de carbono

    Eletrodos de carbono so largamente utilizados em eletroanlises por apresentarem baixas correntes de fundo, amplas janelas de potencial, baixo custo, serem quimicamente inertes e adequados para deteco de diversas espcies5. Vrios tipos de carbono adequados para determinaes eletro-analticas esto disponveis, tais como diamante, carbono vtreo, grafite, carbono piroltico, fulereno e os recentemente descoberto, nanotubo de carbono (CNT, do ingls carbon nanotube), o qual apresenta diferentes propriedades devido s suas diferentes estruturas6, Figura 1.

    Figura 1: Diferentes formas de materiais baseados em carbono.

    FONTE: LAU, A. K.-T.; HUI, D. The revolutionary creation of new advanced materialscarbon nanotube composites. Composites Part B: Engineering, v. 33, n. 4, p. 263-277, 2002.

    Em novembro de 1991, Sumio Iijima7 reportou a produo de uma nova estrutura finita de carbonos consistindo de tubos tipo agulha, de tamanho nanomtrico, produzidos pelo mtodo de evaporao arc-discharge. Desde ento, os hoje conhecidos como nanotubos de carbono, vm sendo foco de inmeras investigaes devido a caractersticas

  • 16

    eletrnicas interessantes, j que podem ser metlicos ou semi-condutores dependendo de sua estrutura e tambm, por exibirem propriedades mecnicas e trmicas excelentes8. Os CNTs so compostos de carbono com hibridizao sp2, organizados de modo hexagonal, formando tubos de alguns nanmetros de dimetro e alguns mcrons de comprimento9, apresentando as extremidades frequentemente fechadas. Devido s ligaes covalentes formadas entre os tomos de carbono individuais, os CNTs so rgidos e potencialmente mais fortes que qualquer outro material conhecido10. Alm dessas propriedades mecnicas e eletrnicas incrveis, os CNTs possuem interiores ocos bem definidos e biocompatibilidade com sistemas vivos10.

    Estruturalmente, os CNTs podem ser descritos como folhas de grafeno enroladas sendo que, o modo que essa folha enrolada afeta suas propriedades eletrnicas. Em geral, para descrever o modo que a folha foi enrolada utilizam-se vetores de posio (m,n) e, dependendo do vetor utilizado, obtm-se CNTs quirais, em cadeira ou zig-zag11 (figura 2) .

    Figura 2: (a) Como os vetores a1 e a2 podem ser utilizados para descrever o enrolamento da folha de grafite; tubos do tipo (b) cadeira, (c) zigzag e (d) quiral.

    FONTE: DAI, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration, and Properties. Accounts of Chemical Research, v. 35, n. 12, p. 1035-1044, 2002

    Os CNTs existem em trs formas bsicas (figura 3) 12, nanotubos de carbono de parede nica (SWCNTs, do ingls single wall carbon nanotubes), parede dupla (DWCNTs, do ingls Double wall carbon nanotubes) e os de paredes mltiplas (MWCNTs, do ingls multi wall carbon nanotubes), onde os planos concntricos cilndricos interagem uns com os outros atravs de foras de Van der Walls13.

  • 17

    Figura 3: Representao dos (A) SWCNT (B) DWCNT (C) MWCNT

    (a)

    (b)

    (c)

    FONTE: SHEN, C.; BROZENA, A. H.; WANG, Y. Double-walled carbon nanotubes: Challenges and opportunities. Nanoscale, v. 3, n. 2, p. 503-518, 2011.

    Atualmente, CNTs so produzidos por diferentes tcnicas, dentre elas a Deposio de vapor qumico (CVD, do ingls chemical vapor deposition) incluindo o processo de deposio de monxido de carbono alta presso (HiPco, do ingls hight-pressure carbon monoxide), Arc discharge e eroso a laser.10

    Arc discharge e eroso a laser possuem a desvantagem de envolver temperaturas maiores ou iguais a 3000C, o que limita a quantidade de CNTs produzida, tambm os mtodos de evaporao geram grandes quantidades de carbono em formas no desejveis e espcies metlicas, e finalmente no permitem o controle dos aspectos geomtricos dos CNTs14.

    J pelo mtodo CVD, os CNT crescem sobre partculas de catalisadores metlicos utilizando hidrocarbonetos gasosos como fonte de tomos de carbono, o que possibilita a utilizao de temperaturas relativamente baixas (500-1000C)11. Uma caracterstica nica da CVD a obteno de arranjos alinhados de CNTs com dimetros e comprimento controlados, tal como observado na figura 415.

  • 18

    Figura 4: Micrografias mostrando o dimetro dos nanotubos: CNTs alinhados com (a) 40-50 nm e (b) 200-300 nm.

    Fonte: THOSTENSON, E. T.; REN, Z.; CHOU, T.-W. Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review. Composites Science and Technology, v. 61, n. 13, p. 1899-1912, 2001.

    Independente da metodologia empregada, a produo de CNTs sempre gera quantidades significantes de impurezas, tais como carbono amorfo, partculas catalisadoras e fulerenos, as quais devem ser eleminadas j que interferem nas propriedades dos CNTs16, com isso, diversas metodologias de purificao dos CNTs vm sendo intensivamente exploradas.

    Essa purificao pode ser realizada de modo brando, utilizando, por exemplo, multiplos ciclos de centrifugao, metodologia que purifica os SWCNT sem encurt-los ou oxid-los, no entanto, os CNTs continuam insolveis devido s fortes interaes de Van der Waals o que faz com que os mesmos agreguem-se. Com isso, ao utilizar metodologias brandas de purificao, uma segunda etapa para melhorar a solubilidade dos CNTs torna-se necessria, tal como a utilizao de surfactantes16.

    Tambm podem ser utilizadas rotas oxidantes de purificao, as quais normalmente envolvem cidos fortemente oxidantes como HNO3, podendo ser realizado por exemplo sob refluxo17,18 ou sob agitao ultrassnica e temperatura ambiente5. Tambm comum a utilizao de uma mistura de cidos, HNO3/H2SO4 (1V:3V) em temperatura ambiente19,20, sob aquecimento21 ou sob agitao ultrassnica em temperatura ambiente22.

    No entanto, Rosca, I. D. et al. 17 reportam que a oxidao dos MWCNTs em cido nitrico leva a uma perda de CNTs sendo que, aps uma exposio de 24 a 48 horas, h uma perda significativa de 60-90%. Assim, a fim de sanar esse problema, Delpeux, S. et al. 23 utilizaram um tratamento envolvendo duas etapas, sendo utilizado na primeira etapa HNO3 concentrado e em ebulio a fim de abrir as extremidades dos nanotubos,

  • 19

    seguido de um tratamento trmico com fluxo de CO2 para eliminar os carbonos desordenados produzidos pelo primeiro tratamento. Do mesmo modo, Chen, X. H. et al. 24

    propuseram um tratamento no destrutivo em trs etapas, iniciando por um refluxo em HNO3 3 mol L-1 para dissolver partculas metlicas e carbono amorfo, seguida pelo tratamento em HCl 5 mol L-1 o qual promove rupturas nas paredes laterais e nas extremidades dos MWCNTs e por fim o tratamento trmico a fim de eliminar o carbono em formas no-desejadas produzido pelos tratamentos anteriores.

    1.2 Nanotubos de Carbono Modificados

    Utilizar MWCNTs em diversas aplicaes tecnolgicas considerado promissor devido a sua estrutura nica e a possibilidade de realizar modificaes as quais influenciam suas propriedades fsicas e qumicas13. Os tratamentos oxidantes citados, alm de purificar os CNTs, promovem a ruptura das extremidades e geram defeitos nas paredes laterais os quais so estabilizados por ligaes COOH e OH, isto torna os CNTs mais reativos e solveis25. Atravs desta funcionalizao, possvel realizar o ancoramento de diferentes materiais, o que permite a otimizao das propriedades dos CNTs tornando-os promissores em diversas aplicaes tecnolgicas.

    Meng, Z. et al. 26 modificaram o eletrodo de MWCNT suportado em GC com xido de Cobalto para a deteco amperiomtrica de nitrito obtendo um eletrodo com boa estabilidade de estoque, reprodutibilidade e seletividade.

    Motivados pela prosperidade do uso de CNTs na fabricao de biosensores, Chen, R. J. et al. 27 realizaram a funcionalizao no-covalente dos SWCNT o que permitiu a imobilizao de protenas e biomolculas menores com um alto grau de controle e especificidade. Cao, L. et al. 28 tambm reportam a funcionalizao dos MWCNT com uma posterior modificao utilizando a fitalocianina com xido de titnio, aumentando a fotossensibilidade do material, levando produo de dispositivos fotocondutores.

    Devido ao fato de compostos de CNT modificados com polmeros condutores apresentarem tanto as propriedades caractersticas de cada um dos componentes quanto novas propriedades devidas ao efeito sinrgico desta nova combinao, Guo, M. L. et al. 29

    desenvolveram um eletrodo de MWCNT modificado com polianilina o qual apresentou uma melhora na propriedade eletrocataltica durante a reduo de nitrito, propriedade no observada na polianilina ou MWCNTs isoladamente.

  • 20

    Nanopartculas de metais nobres vm sendo utilizadas como sensores eletroqumicos devido a suas propriedades, tais como uma extraordinria condutividade, alta razo superfcie/volume, e biocompatibilidade, sendo que, para aprimorar essas propriedades, a combinao com outros materiais est sendo largamente utilizada30. Vairavapandian, D. et al. 16 afirmam que, a alta rea superficial dos CNTs torna-o um candidato ideal para ser utilizado como suporte para nanopartculas metlicas, alm do mais, CNTs modificados com nanopartculas metlicas tm apresentado um aumento nas propriedades de deteco e eficincia eletrocataltica.

    A fim de explorar a alta atividade cataltica dos CNTs Li, W. et al. 31 realizaram a sintese de nanopartculas de platina suportadas em MWCNT ou carbono preto XC-72 e, quando aplicados como ctodo em clulas combustveis, o Pt/MWCNT apresentou uma atividade cataltica significantemente maior. Tambm, Kang, X. et al. 32 reportam a utilizao de nanoclusters de cobre para modificar eletrodos de MWCNT na produo de um sensor de glicose no-enzimtico, o qual apresentou alta sensibilidade e estabilidade, rpida resposta e uma atividade eletrocataltica sinergtica combinando nanoclusters com os CNTs.

    Outra possibilidade explorar as propriedades sinergticas atravs da interao dos CNT, nanopartculas e outros componentes, como foi o caso do trabalho reportado por Xiao, F. et al. 33 no qual realizam a eletrodeposio ultrassonica de nanopartculas de prata e de ouro em um eletrodo de GC modificado com MWCNTs e liquido inico (IL, do ingls ionic liquid). Os eletrodos foram utilizados na determinao de nitrito, obtendo-se um aumento de corrente de pico de oxidao na seguinte ordem: GC < IL/GC < MWCNT/GC < MWCNT-IL/GC < Au-Pt/GC < Au-Pt/IL/GC < Au-Pt/MWCNT/GC

    < Au/MWCNT-IL/GC < Pt/MWCNT-IL/GC < Au-Pt/MWCNT-IL/GC. Dentre as inmeras possibilidades de combinaes entre nanomateriais,

    compsitos de ouro e nanotubo de carbono despertam um interesse em particular devido a sua fcil preparao e uma larga gama de aplicaes.

  • 21

    1.3 Nanopartculas de Ouro

    Observou-se um grande crescimento no interesse do poder cataltico do ouro iniciando por volta de 1985, no entanto, essa propriedade s apresenta-se sob circunstncias especficas. A utilizao do ouro como catalisador no parecia possvel j que seu poder de quimiossoro era muito baixo, no entanto, quando utiliza-se pequenas partculas de ouro sobre um suporte reativo, o ouro passa a se comportar mais como tomos individuais, explicando como o ouro pode ser utilizado como um catalisador.34

    Faraday, M. 35 foi o primeiro a reportar, em 1857, a produo de partculas de ouro e seu comportamento frente luz polarizada comparando-as com uma folha de ouro. Atravs da alterao dos agentes redutores observou a alterao da cor da soluo formada evidenciando a alterao do tamanho das partculas formadas.

    Segundo Turkevich, J. 36, a preparao de solues coloidais de ouro pode ser feita por basicamente duas metodologias: a desintegrao de fios de ouro metlico utilizando arco eltrico ou ento pela reduo do sal de ouro utilizando agentes redutores ou radiao. Entretanto, a reduo do cido clorourico utilizando citrato de sdio a 100C, destacou-se por apresentar excelente estabilidade e uniformidade no tamanho das partculas.

    Atualmente, a preparao de nanoparticulas de ouro, AuNPs (do ingls, gold (Au) nanoparticles), geralmente envolve a reduo do cido tetraclorourico (HAuCl4) utilizando agentes redutores ou eletrodeposio. Suspenses monodispersas de ouro foram produzidas por Frens, G. 37 utilizando 50 ml de uma soluo de HAuCl4 1% (m/m), a qual aquecida at entrar em ebulio, quando ento adicionado o citrato de sdio 0,01%. A reao completa-se aps cerca de 5 min, sendo que, o prolongamento desse tempo de aquecimento no altera a suspenso de ouro produzida. Foram feitos estudos com relao a quantidade de citrato, mostando que a quantidade deste na reao altera substancialmente o tamanho das partculas de ouro produzida, variando de uma soluo laranja com tamanho de partcula de 16 nm (1,0 ml de citrato 0,01% m/m ) at uma soluo violeta com tamanho de partcula de 147 nm (0,16 mL de citrato 0,01% m/m). Goia, D. e Matijevi, E. 38 propuseram uma metodologia utilizando uma soluo aquosa de HAuCl4, cido hidroclrico ou hidrxido de sdio, e cido ascrbico como agente redutor obtendo partculas esfricas com dimetro variando de 80 nm a 5 m.

    As AuNPs podem ser usadas para diversas aplicaes, contudo, quando estas so utilizadas em eletroanlises, normalmente encontram-se suportadas em outros materiais

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    condutores ou semicondutores, tal como os CNTs. Sendo que, para a produo do material nanohibrido AuNPs/CNTs, as nanopartculas podem ser produzidas separadamente para posterior ancoramento ao CNTs ou ento reduzidas diretamente em suas paredes.

    Quando o primeiro mtodo escolhido, algumas opes de ancoramento so possveis, como por exemplo, Hu, G. et al. 39 produziram o AuNP/LC/GCE atravs da modificao do GC com L-cistena (LC) e imergindo-o posteriormente em uma soluo coloidal de AuNP, obtendo uma superfcie igualmente recoberta pelas AuNPs. O eletrodo produzido foi utilizado na determinao simultanea de cido rico e cido ascrbico em urina com uma separao de 0,306 V entre os potenciais de oxidao, podendo, portanto, ser aplicado em testes clnicos de rotina.

    Jiang, K. et al. 40 decoraram a superfcie de CNTs funcionalizados modificando-a primeiramente com um polieletrlito catinico e, quando misturado com o colide de ouro, as GNPs carregadas negativamente ficam ancoradas devido a interao eletrosttica, tal como esquematizado na figura 5.

    Figura 5: Esquema do processo de ancoramento das AuNP por interao eletrosttica.

    FONTE: JIANG, K.; EITAN, A.; SCHADLER, L. S.; AJAYAN, P. M.; SIEGEL, R. W.; GROBERT, N.; MAYNE, M.; REYES-REYES, M.; TERRONES, H.; TERRONES, M. Selective Attachment of Gold Nanoparticles to Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes. Nano Letters, v. 3, n. 3, p. 275-277, 2003.

    Manso, J. et al. 41 primeiramente prepararam uma soluo coloidal de ouro utilizando citrato de sdio como redutor, obtendo partculas de 16 2 nm. Esta soluo foi misturada a mo, por 10 min, com os MWCNTs e a gua foi evaporada com fluxo de

  • 23

    N2. Posteriormente, adicionaram glicose oxidase e Teflon, obtendo o eletrodo GOx-Au-CNT-Teflon. O eletrodo preparado apresentou uma significativa melhora na determinao de H2O2, quando comparado com outros eletrodos de carbono.

    Shi, Y. et al. 42 primeiramente produziram uma soluo coloidal de ouro utilizando 0,5 mL de HAuCl4 0,01 mol L-1, 0,05 mL de citrato de sdio 0,01 mol L-1 e 0,6 mL de NaBH4 0,1 mol L-1. E, para o ancoramento das NPAu produzidas, os CNTs foram adicionados a 10 mL da soluo coloidal de ouro, em seguida, sob intensa agitao e ultrassom por 10 min, uma pequena quantidade de etanol foi adicionada a fim de reduzir a tenso interfacial entre os CNTs e a soluo aquosa de AuNP. Aps 10 h adicionais de agitao, separou-se os AuNP/CNTs por centrifugao, obtendo-se CNT uniformemente decorados com NPAu.

    Tambm possivel realizar o procedimento in situ, reduzindo as AuNP diretamente na parede dos CNTs. Por exemplo, Zhang, R. e Wang, X. 43 sintetizaram AuNP/CNT suspendendo 1,0 mg de MWCNTs (purificados por tratamento cido) em 1 ml de HAuCl4 1% (m/m), em seguida essa soluo foi diluida para 100 mL, agitada e aquecida at entrar em ebulio. Ento, adicionaram o citrato de sdio, e com 5 a 10 min de reao, a soluo no altera mais sua colorao, indicando que as nanopartculas j foram formadas. O agente redutor utilizado foi o citrato de sdio, j que, atravs da alterao de sua quantitade, facilmente altera-se o tamanho da AuNP produzida, sendo que, obteveram um tamanho mdio de 22 nm, quando 1,5 mL da soluo de citrato de sdio foi utilizada e esse valor diminuiu para 15 nm quando 4 mL de citrato de sdio foram adicionadas.

    Jiang, L. e Gao, L. 44 produziram AuNP diretamente nos CNTs (previamente submetidos a um tratamento trmico de 600 C por 3 h, sob atmosfera de NH3), misturando-os primeiramente com uma soluo de cido ctrico (agitao ultrassonica por 3-5 min para enfraquecer as agregaes) e em seguida adicionando-se a soluo de HAuCl4 (sob agitao e a 70C), obtendo-se um recobrimento homogneo dos CNTs com as AuNP. No entanto, quando os CNTs foram misturados diretamente com cido ctrico e HAuCl4 obteve-se um recobrimento no-homogneo dos CNTs. Assim, os autores sugerem que o cido ctrico forma uma camada adsorvida em torno das paredes dos CNTs e, in situ, reduz o HAuCl4 para produzir as AuNP diretamente em suas paredes, portanto, o cido ctrico, alm de agente redutor, atua como dispersante modificando o CNT.

    Zanella, R. et al. 45 tambm utilizaram como agente redutor o cido ctrico, reduzindo o HAuCl4 diretamente nas paredes dos MWCNTs (previamente

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    funcionalizados com tiols alifticos bifuncionais), no entanto, o procedimento foi realizado em temperatura ambiente sob agitao ultrassnica, obtendo-se partculas da ordem de 1,7 nm dispersas nas paredes laterais do MWCNT.

    Tambm possivel utilizar o dodecilsulfato de sdio (SDS) como agente dispersante, e o borohidreto de sdio (NaBH4) como agente redutor, neste caso,Alexeyeva, N. et al. 46 primeiramente misturaram os 1,0 mg de MWCNTs (previamente tratados com 1 HNO3 : 1 H2SO4) com 1 mL de SDS 1% (m/m), e, em seguida, adicionaram uma 30 L soluo de HAuCl4 1% (m/m) sob agitao vigorosa, por fim, adicionaram 30 L de NaBH4 0,75% (m/m). No entanto, o nmero de AuNP ancoradas no MWCNT foi relativamente baixa.

    Zhang, R. et al. 47 decoraram os MWCNTs com AuNP realizando primeiramente a mistura dos MWCNTs com citrato de sdio 1% (m/m), a qual foi submetida a tratamento ultrasnico por 5 min a fim de formar um recobrimento de citrato em torno no nanotubo. Essa soluo foi suspendida em 96 mL de gua bi-destilada, e ento, agitada e aquecida at entrar em ebulio. Em seguida, uma soluo de HAuCl4 1% foi adicionado ao sistema e mantida sob aquecimento por 5 min. Estudos com relao s quantidades de reagentes levaram determinao das quantidades ideais para a obteno de uma alta densidade de AuNP recobrindo os MWCNTs (3 mg de MWCNT, 4,0 ml de citrato de sdio 1% (m/m), 0,5 mL de HAuCl4 1% (m/m) em um volume total de 100 mL), tal como esquematizado na figura 6.

    Figura 6: Desenho esquemtico da sntese AuNP/MWCNT. (1) Pr-mistura utilizando ultrassom. (2) adio do HAuCl4. (3) Os tomos de Au reduzidos agem como uma semente para outros tomos de Au. (4) AuNP depositados no MWCNT.

    FONTE: ZHANG, R.; HUMMELGARD; MAGNUS; OLIN; HAKAN. Simple and efficient gold nanoparticles deposition on carbon nanotubes with controllable particle sizes. Amsterdam, PAYS-BAS: Elsevier, 2009. 5 p.

    Outro mtodo de produo de AuNP diretamente nas paredes dos CNTs foi reportado por Norouzi, P. et al. 48 no qual produziram AuNP por eletrodeposio aplicando um potencial de -0,2 V por 200 s em um eletrodo de GC modificado com

  • 25

    MWCNT, o procedimento foi realizado em uma soluo 1,0x10-3 mol L-1 de HAuCl4 em 0,2 mol L-1 de Na2SO4 obtendo AuNP com um dimetro de 20 a 30 nm e distribuio simtrica.

    Zhang, Y. et al. 18 tambm realizaram a deposio eletroqumica das AuNP sobre um eletrodo de GC modificado com CNTs utilizando a voltametria cclica, para isso, 15 ciclos foram realizados entre os potenciais -0,2 V e 1,0 V, a uma velocidade de 50 mV s-1, em uma soluo contendo 5x10-3 mol L-1 de HAuCl4 em H2SO4 0,2 mol L-1. O mtodo utilizado apresentou um limite de deteco de 1,0x10-3 mol L-1 na determinao de pesticidas organofosforados utilizando voltametria linear, e pode ser aplicado em amostras reais.

    CNTs recobertos com AuNP esto sendo utilizados para a determinao de diversos outros analitos, por exemplo, Xiao, L. et al. 49 utilizaram o eletrodo de GC modificado com AuNP/MWCNT, o qual foi produzido por reduo in situ do HAuCl4 utilizando NaBH4 como agente redutor, na deteco de arsnio (III), um poluente de guas altamente txico. O eletrodo mostrou-se superior aos eletrodos de macrodisco de ouro e MWCNT, apresentando uma alta sensibilidade e um limite de deteco abaixo do determinado pela World Health Organization.

    AuNP e CNTs foram utilizados por Chauhan, N. e Pundir, C. S. 50 no desenvolvimento de um sensor para cido rico modificando um eletrodo de fio de ouro com MWCNT, AuNP e a enzima uricase, obtendo um biosensor amperomtrico com um limite de deteco de 0,01x10-3 mol L-1.

    Naruse, J. et al. 51 utilizaram MWCNTs funcionalizados imobilizados em uma folha de carbono como suporte para as AuNP. Para isso, as AuNP (previamente preparadas e suspendidas em hexano) foram gotejadas sobre f-MWCNT/C e o sistema foi submetido a um tratamento trmico (400C por 2h) obtendo-se o eletrodo AuNP/f-MWCNT/C o qual foi utilizado com sucesso na oxidao de monossacardeos em cellas bio-combustveis.

    Ma, J. C. e Zhang, W. D. 52 reportam o desenvolvimento de um sensor para metil-paration utilizando um eletrodo de MWCNT alinhados verticalmente sobre tntalo, recobertos com AuNPs. O eletrodo possui um limite de deteco de 50 g mL-1 e uma sensibilidade 4,5 vezes maior quando comparada com o eletrodo plano de MWCNT.

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    1.4 xido Ntrico

    1.4.1 Propriedades qumicas53

    O NO, quando gs incolor, e quando slido ou lquido azul, pode ser produzido por vrias reaes envolvendo nitritos (1) ou cido ntrico (2), sendo que, comercialmente, usualmente obtido pela oxidao cataltica da amnia.

    2NaNO2 + 2NaI + 4H2SO4 I2 + 4NaHSO4 + 2H2O + 2NO ( 1 )

    8HNO3 + 3Cu 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO ( 2 )

    O NO reage instantaneamente com O2 formando o dixido nitrognio, de colorao marrom e altamente reativo (3):

    2NO + O2 2NO2 ( 3 )

    O NO termodinamicamente instvel a 25C e 1 atm e possui eltrons * desemparelhados tornando-o uma molcula paramagntica. O eltron * facilmente perdido formando o on NO+, o qual reage facilmente com gua (4):

    NO+ + H2O H+ + HNO2 ( 4 )

    1.4.2 Importncia do em sistemas biolgicos

    Inicialmente conhecido apenas como um importante poluidor do ar, j que processos de combusto geram NO o qual convertido a HNO3, um dos responsveis pela chuva cida, que causa srios danos sade humana, agricultura e construes. Assim, a determinao da quantidade de NO era limitada ao interesse indstrial pois, a esta pode ser controlada atravs da otimizao da furnaa durante os procedimentos industriais.54

    Hoje, o NO tem sido pesquisado em vrios ramos da cincia pois passou a receber uma ateno especial quando foi descoberto sua ao potente como vaso dilatador em 1987.55 Tambm foi reconhecido como a Molcula do Ano pela revista Science de 199256 e, em 1998, o prmio Nobel em Fisiologia e Medicina comtemplou Louis J.

  • 27

    Ignerro, Robert F. Furchgott e Ferid Murad pela descoberta do NO como um mediador biolgico produzido pelas clulas mamrias55,57.

    Nas plantas, o NO possui influncia no crescimento, desenvolvimento, na fotossntese e quantidade de clorofla, podendo ser um indutor de estress ou ento ter ao protetora, dependendo de sua quantidade.57 Assim, por ser considerada uma molcula sinalizadora, a deteco de NO em plantas corriqueira em laboratrios de pesquisa.58

    No organismo, o NO gerado pela enzima NOS (do ingls, nitric oxide syntase) por uma oxidao de 5 eltrons do aminocido L-arginina a L-citrulina gerando 1 equivalente de NO59 e tem as funes de controlar a presso sangunea devido ao vasodilatadora, ter funo na resposta imune do organismo, ser o principal bioqumico no desempenho sexual masculino e na memria de longo prazo56, previve a agregao plaquetria, inibe a adeso de moncitos e neutrfilos no endotlio vascular (o que gera a ateroesclerose) e tem efeito antioxidativo.60

    Devido a suas vrias funes, anomalias nas quantidades de NO no organismo esto diretamente relacionadas com algumas doenas, tais como arterioesclerose, hipertenso, isquemia cerebral, neurodegradao, artrite, asma e infeco de intestino.61

    Tabela 1: Quantidades de FENO para o diagnstico de sintomas respiratrios crnicos. FENO (ppb) Classificao

    Inflamao das vias areas

    Doenas a serem consideradas ADULTOS CRIANAS

    5 a

    25

    Baixa < 20 ppb em crianas < 25 ppb em adultos

    Improvvel

    Asma neutroflica Hiper-ventilao Rinosinusite Refluxo Doena cardaca

    Bronquite de ferrugem

    Refluxo Fibrose cstica imunodeficincias

    30 a

    45 Intermedirio Presente mas

    mediano Basear a interpretao apenas nas apresentaes clnicas

    50 a

    65 Ou

    maior

    Alto Significante

    Asma atpica Bronquite eosinoflica

    Sndrome de Churg-Strauss

    Ter uma resposta positiva se utilizar esterides

    Asma

    Ter uma resposta positiva se utilizar esterides

    FONTE: Adaptado de TAYLOR, D.; PIJNENBURG, M.; SMITH, A.; JONGSTE, J. Exhaled nitric oxide measurements: clinical application and interpretation. Thorax, v. 61, n. 9, p. 817-827, 2006.

    Em mamferos, medidas da quantidade de NO exalado (FENO) na prtica clnica so de grande importncia, pois permite distinguir inflamaes das vias areas determinando a interveno medicamentosa a ser utilizada. Dentre as doenas passveis

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    de diagnstico por essa medida encontram-se a asma, fibrose cistica, discinesia ciliar primria e em transplantes de pulmo. Na Tabela 1 encontram-se os nveis de FENO relacionado com o diagnstico de doenas.62

    1.4.3 Determinao de xido Ntrico

    A molcula de NO mostrou ser de grande interesse em diversas reas, podendo ser benfica ou perigosa, dependendo de sua concentrao, assim, um mtodo confivel e de rpida de deteco torna-se muito importante. No entanto, por se difundir rapidamente, ser altamente reativa e possuir um pequeno tempo de meia vida, a deteco de NO de maneira confivel um desafio. 59

    As tcnicas mais comuns desenvolvidas para a determinao de NO so quimioluminescencia, espectroscopia no UV-vis, fluorescncia, espectroscopia de ressonncia paramagntica de eltrons e eletroqumica.

    Na tcnica de quimioluminescncia, o NO transportado por um gs inerte at a cela de reao onde reage com O3 gerando NO2 no estado excitado. O posterior decaimento do NO2* resulta na emisso de um fton na faixa de 600-875 nm (Figura 7), os custos gerados por um equipamento especfico a desvantagem apresentada pela tcnica.59

    Figura 7: Deteco de NO por Quimiluminescncia.

    FONTE: Adaptado de CONESKI, P. N.; SCHOENFISCH, M. H. Nitric oxide release: Part III. Measurement and reporting. Chem. Soc. Rev., 2012.

    Outro mtodo para a determinao de NO consiste na reao do mesmo com oxi-hemoglobina produzindo meta-hemoglobina e nitrito (a oxi-hemoglobina apresenta uma banda de absoro em 415-421 nm e a methemoglobina em 401 nm). No entanto, a

    Analisador

  • 29

    oxigenao da hemoglobina necessita de equipamentios especficos, alm do mtodo estar sugeito a interferncias de outros espcies oxigenadas. O corante fluorescente diaminofluorescena tambm largamente utilizado para a determinao de NO, contudo, necessita de reagentes especficos e um microscpio de fluorescncia.58

    Um mtodo indireto utilizado o reagente de Griess, nesta tcnica o NO deve ser convertido a nitrito e submetido a reaes com reagentes especficos, gerando um composto com absorbncia em 540 nm, no entanto, apesar de haver kits comerciais a preo acessvel, sua sensibilidade muito baixa, 0,5x10-6 mol L-1.58

    A ressonncia paramagntica eletrnica tambm pode ser utilizada na determinao de NO, j que baseada na observao de eltrons desemparelhados em campos magnticos nos quais a regio de microondas exibe ressonncia entre as orientaes paralelas e anti-parelelas das orientaes dos spins. O limite de deteco desta tcnica da ordem de pmol L-1, no entanto, a amostra necessita de um tratamento quimico para dar longevidade ao radical NO. alm da necessidade de um espectrometro de ressonancia paramagntica eletrnica.58

    Em contraste com as demais tcnicas, a deteco eletroqumica trata-se da nica que permite a deteco direta, em tempo real e in vivo.63 Alm do mais, as tcnicas eletroqumicas permitem uma boa seletividade com relao aos principais interferentes, boa sensibilidade, rpida resposta, possibilidade de miniaturizao, instrumentao mais barata e fcil manipulao.

    Bedioui, F. et al. 63 afirmam que as propriedades redox do NO dependem do tipo do eletrodo e do pH do meio e que o NO sofre reduo de 1 eltron sob condies catdicas medianas (-0,5 a -1,4 V versus Ag/AgCl), formando o on nitrosil:

    NO + e-

    NO- ( 5 )

    J em potenciais positivos (aproximadamente 0,8 V versus Ag/AgCl), o NO sofre oxidao atravs de um mecanismo de 3 eltrons: 63

    NO NO+ + e- ( 6 )

    NO+ + OH- HNO2 ( 7 )

    HNO2 + H2O NO3- + 2e- + 3H+ ( 8 )

  • 30

    A eletrorreduo menos afetada por espcies interferentes, no entanto sua resposta diminuida no pH fisiolgico. J a eletrooxidao apesar de sensibilidade aumentada no pH fisiolgico, mais afetada por um grande nmero de espcies biolgicas (por exemplo, CO, acetoaminofeno, nitrito, dopamina).59

    1.4.4 Estado da arte da determinao eletroqumica do xido ntrico

    Fei, J. J. et al. 64 reportam a produo de um sensor amperomtrico de NO baseado em um complexo de smio e polmero redox, o qual recobre um eletrodo de GC modificado com SWCNT. Os resultados experimentais sugerem um atividade cataltica do filme produzido na eletro-oxidao de NO, com um limite de deteco de 5,0x10-8 mol L-1 na deteco amperomtrica de NO. A utilizao do Nfion mostrou-se eficiente na eliminao de nitrito como interferente na determinao do NO em meio PBS pH 7,4.

    Wang, F. et al. 65 depositaram nanopartculas de xido de nquel sobre MWCNTs obtendo um sensor com excelente atividade cataltica o qual foi utilizado para o monitoramento amperomtrico de NO em rim de ratos medicados com nitroprussiato de sdio (uma droga que aumenta o dimetro dos vasos sanguineos reduzindo a presso arterial, cujo mecanismo de ao em nvel celular consiste na decomposio de sua molcula em NO66). O eletrodo proposto foi recoberto com uma quantidade otimizada de Nfion (1,0 L a 0,5%) para a maior resposta possvel para o NO e a menor resposta possvel para o nitrito, com a qual a resposta de NO diminui para 87% no entanto, a determinao de nitrito diminuida para 8% em PBS pH 7,4. Esse sensor apresentou uma responsa amperomtrica com um limite de deteco de 2,0 x 10-8 mol L-1.

    Ng, S. R. et al. 67 desenvolveram um nanocompsito em gel composto por grafeno tridimensional e lquido inico para a determinao de NO, com uma sensibilidade de 11,2 mol L-1 e limite de deteco de 16 nmol L-1. O eletrodo foi recoberto com 5L de Nfion 10% a fim de eliminar a interferencias de espcies tais como nitrito e cido ascrbico alm de evitar a lixiviao do lquido inico.

    Wang, F. et al. 68 utilizaram um eletrodo de GC modificado com AuNP e quitosana na determinao de NO com um limite de deteco de 7,2 nmol L-1, em rins de ratos e no medicamento anti-hipertensivo nitroprussiato de sdio, que no corpo rapidamente quebrado gerando NO.

    Maklin, J. et al. 69 modificaram eletrodos impressos de ouro com CNTs funcionalizados obtendo um sensor de gs NO. A alterao na resistencia do eletrodo

  • 31

    investigada aps a exposio ao NO, obtendo uma resposta linear na faixa de 1 nA a 20 mA.

    Yu, A. M. et al. 70 realizaram estudos com eletrodos de ITO e quartzo modificados com MWCNT, polieletrlito e AuNP, mostando que o filme combinado com MWCNT e AuNP possuem um execelente efeito eletrocataltico na oxidao de NO. O eletrodo foi utilizado na deteco voltamtrica de NaNO2, indicando a possibilidade de utilizao do eletrodo na deteco de NO j que, segundo os autores, o nitrito em meio cido (PBS pH 2,0 ) gerou NO livre em soluo.

    Malinski, T. e Taha, Z. 71 utilizaram um eletrodo de fibra de carbono recoberto com polmero de porfirina e nfion, em meio tampo fosfato pH 7,4 para a determinao de NO, o qual apresentou um limite de deteco de 20 nmol L-1 com a tecnica de DPV.

    Chen, Z. et al.72 desenvolveram um sensor eletroqumico de MWCNT/quitosana/AuNP recoberto com 2 L de Nfion 0,5% para a determinao de NO. A corrente amperomtrica obtida foi proporcional quantidade de NO em um amplo intervalo de concentraes com um limite de deteco de 7,6x10-9 mol L-1.

    Wu, F. H. et al. 73 utilizaram MWCNT e 10 L de Nfion 0,5% para modificar um eletrodo de carbono vtreo, o qual foi utilizado na determinao de NO em meio tampo PBS pH 7, obtendo um limite de deteco de 8,0x10-8 M.

    Li, C. M. et al. 74 realizaram a determinao de NO com uma sensibilidade de 43,6 A mM-1 em um microeletrodo em gel de SWCNT e liquido inico recoberto com Nfion.

    As principais metodologias utilizadas para a determinao de NO est sumarizadas na tabela 2.

    Tabela 2: Principais metodologias para determinao de NO revisadas neste trabalho.

    REFERNCIA ELETRODO MODIFICADO LIMITE DE DETECO 75

    Cyt c/PIL-Gr/BPG 7.0107 molL1 72

    Nafion/MWCNT-CS-AuNP/GCE 7.60109 molL1 64

    (PVPOsEA/SWCNT/GCE 5.0108 molL1 65

    GCE/MWNTs-CS-NiO 20.0 109 molL1 67

    3-D Gr/ HMIMPF6 16 109 molL1 68

    AuNPCS/ GCE 7.20 109 molL1 73

    Nfion/MWCNT/GC 8.0108 molL1 Cyt c citocromo c; PIL Lquido inico polimerizado (do ingls, Polymerized ionic liquid); Gr Grafeno; BPG grafite plano basal (do ingls, basal plane grafite); CS quitosana (do ingls, chitosan); Os Osmio; PVP - poli(4-vinilpiridina); EA - 2-bromoetilamina ; HMIMPF6 - 1-hexil-3-metilimidazolio hexafluorofosfato

  • 32

    Este trabalho utiliza MWCNT, previamente tratados, decorados com AuNP e, devido ao fato de muitas propriedades das nanopartculas serem fortemente influenciadas pelo tamanho da mesma, optou-se por utilizar uma sntese utilizando citrato uma vez que o mesmo permite a produo de AuNP com diversos dimetros e com considervel facilidade, bastando alterar a quantidade de citrato na soluo37,43,47 . Trs snteses diferentes foram feitas e caracterizadas morfologica e eletroquimicamente frente ao par redox Fe(CN)6-4/ Fe(CN)6-3, cujas propriedades eletroqumicas j foram exaustivamente exploradas na literatura. A sntese que apresentou os melhores resultados foi ento aplicada na determinao eletroqumica de xido ntrico.

    2 Objetivos

    Os objetivos gerais deste trabalho foram o desenvolvimento de um sensor eletroqumico baseado em nanotubos de carbono de paredes mltiplas, ornamentados com nanopartculas de ouro para a determinao de xido ntrico, envolvendo os seguintes objetivos especficos:

    Funcionalizao e caracterizao estrutural e morfolgica do MWCNT;

    Snteses e caracterizao estrutural e morfolgica das nanopartculas de ouro ancoradas em MWCNT (nomeadas de AuNP/MWCNT)

    Caracterizao eletroqumica das snteses desenvolvidas;

    Determinao da melhor sntese para a determinao de xido ntrico;

    Desenvolvimento de uma metodologia de determinao de xido ntrico utilizando o eletrodo de carbono vtreo modificado com AuNP/MWCNT;

    Avaliao da influncia do interferente nitrito na determinao eletroqumica de NO utilizando o eletrodo proposto.

  • 33

    3 Experimental 3.1 Reagentes

    Os reagentes utilizados neste trabalho foram de pureza analtica e encontram-se listados na Tabela 3:

    Tabela 3: Reagentes utilizados no presente trabalho.

    REAGENTE PROCEDNCIA FRMULA TEOR (%)

    MWCNT (d = 110-170 nm

    comprimento = 5-9m)

    Sigma-Aldrich - 90%

    Isopropanol Merck C3H7OH 99%

    cido Ntrico Merck HNO3 65%

    cido Clordrico Synth HCl 36,8-38%

    cido tetracloroaurico

    trihidratado

    Sigma HAuCl4.3H2O 99%

    cido Sulfrico Calecon H2SO4 95-98%

    Hexacianoferrato de Potssio

    Merck K4[Fe(CN)6] P.A.

    Fosfato de Potssio monobsico

    Merck KH2PO4 P.A.

    Nitrognio White Martins N2 99,9%

    cido fosfrico Mallinckrodt H3PO4 85%

    Fosfato de Sdio dibsico

    Merck Na2HPO4 P.A.

    Citrato de sdio Reagen C6H5O7Na3 P.A.

    Nitrito de Sdio Sigma Aldrich NaNO2 P.A.

    Hidrxido de Sdio Merck NaOH P.A.

    3.2 Solues

  • 34

    Todos os procedimentos realizados utilizaram gua purificada pelo sistema Milli-Q da Millipore, (resistividade 18M cm-1). Para as medidas eletroqumicas utilizou-se como eletrlito suporte H2SO4 0,1 mol L-1 e tampo PBS, os quais foram previamente desaerados por 1 minuto com gs N2 a fim de evitar interferncias no O2 nas medidas eletroqumicas e evitar que o NO reaja com o O2 da soluo, seguindo a reao (3). Os experimentos foram realizados em banho de gelo (4 C) a fim de evitar a volatilizao do NO.

    As solues estoques aquosas de ouro ou citrato a 1% m/m foram preparadas utilizando 10 g L-1 de HAuCl4.3H2O ou Na3C6H5O7

    As solues tampo PBS em diversos pH foram preparadas segundo as concentraes da Tabela 4.

    Tabela 4: Composio das solues tampo PBS, para o preparo de 200 mL de soluo aquosa.

    pH H3PO4 (mL) K H2PO4 (g) Na2HPO4 (g) 2,00 0,99 5,44 -

    3,00 0,27 5,44 -

    4,18 - 5,54 -

    5,05 - 5,168 0,0858

    6,00 - 3,68 0,805

    7,00 - 0,942 1,57

    8,00 - 0,122 1,86

    A soluo saturada padro de NO foi preparada baseada nos procedimentos relatados na literatura67,76,77, pelo gotejamento de H2SO4 de um funil de separao para um kitassato contendo NaNO2. O NO provm da reao entre H2SO4 e NaNO2, que fornece espcies NOx gasosas como produto. Esse gs passa por uma soluo saturada de NaOH que permite que apenas o gs NO seja obtido e, finalmente, lavado em gua Milli-Q (Millipore, Inc.). O NO obtido coletado em um recipiente escuro selado contendo tampo PBS pH 4,4, previamente desaerado por 30 minutos com N2. A saturao da soluo ocorre em 30 minutos. Essa soluo saturada feita fresca, no dia do experimento, sendo mantida em um recipiente escuro, vedado por um embolo de

  • 35

    borracha, com um headspace composto apenas por NO e em banho de gelo durante sua utilizao, experimentos testes mostraram que sua concentrao no se altera durante o dia de trabalho. A concentrao da soluo saturada de NO foi adotada como sendo de 1,8 x 10-3 mol L-1, como recomendado pela literatura66,67,77 a qual determina que essa concentrao no se altera em uma faixa de pH de 2 - 1377. Para a preparao das solues de NO diludas, adicionou-se alquotas de 10 L de soluo estoque de NO utilizando uma micropipeta com uma agulha adaptada extremidade da ponteira para perfurar o embolo de borracha. O volume dessa clula foi de 8 mL de PBS pH 4,4. Essa soluo tambm foi mantida sob refrigerao em torno de 4 C durante sua utilizao.

    Todas as pesagens foram feitas utilizando-se uma balana Metller Toledo AB135-S.

    3.3 Metodologias

    3.3.1 Microscopia Eletrnica de Varredura/Energia dispersiva de raio-X

    A microscopia eletrnica de varredura (MEV) trata-se da ferramenta mais utilizada para caracterizar a morfologia e dimenso dos MWCNTs j que possui a vantagem de ser uma tcnica de simples execuo e no necessitar de uma etapa de preparo de amostra trabalhoso. A imagem observada por essa tcnica proveniente do contraste do feixe de eltrons e a superfcie da amostra, e varia de acordo com o nmero de eltrons emitidos pela mesma. Essa variao pode ocorrer devido topografia, composio e voltagem da amostra.

    As imagens de MEV dos MWCNT foram feitas utilizando o equipamento Zeiss-Leica/440, com filamento de tungstnio como fonte de eltrons, da Central de Anlises Qumicas do IQSC-USP. Enquanto as imagens de MEV dos MWCNTs modificados com nanopartculas de ouro utilizou-se o MEV Philips XL-30 FEG do Laboratrio de Caracterizao Estrutural do Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar.

    O Zeiss-Leica/440 possui um detector de Energia dispersiva de Raio-X, EDX, (do ingls, energy dispersive X-ray) o qual foi utilizado para as microanlises qumicas qualitativas e quantitativas da amostra. Essa tcnica baseia-se na interao do feixe de eltrons com a amostra gera raios-X os quais permitem a identificao dos tomos com os quais os eltrons interagiram. Os raios-X no distribudos em um espectro por ordem de energia, dando como resposta o espectro de energia dispersiva.

  • 36

    Todas as amostras foram preparadas gotejando uma suspenso de MWCNT ou AuNP/MWCNT em isopropanol, as quais foram secas com fluxo de N2. Diversas gotas foram adicionadas at que todo o porta amostra de titnio estivesse recoberto com o filme.

    3.3.2 Difrao de Raio-X

    Anlise estrutural das amostras foram feitas pela tcnica de Difrao de Raio-X no Grupo de Cristalografia do IFSC-USP e os dados foram tratados utilizando o programa Crystallographica Search-Match Version 2, 1, 1, 1 Copyright 1996-2004, Oxford Cryosystems.

    A Difrao de Raio-X trata-se de uma tcnica importante na caracterizao microestrutural de materiais cristalinos, pois permite a determinao da composio qumica e da estrutura cristalina da amostra. Para a anlise utilizou-se a amostra na forma de p e foi feita uma varredura de 5 a 100 2, obtendo-se uma difratograma da intensidade do feixe difratado em funo dos ngulos de difrao 2.

    3.3.3 Espectrometria Raman

    Para avaliar o processo de funcionalizao e ancoramento das nanopartculas de ouro nos MWCNTs foi utilizada a espectrometria Raman. Os espectros Raman foram feitos no Instituto de Fsica de So Carlos-USP, utilizando o equipamento Renishaw RM2000 acoplado a um microscpico tico com resoluo espacial da ordem de ~ 1 m2. Os espectros foram obtidos excitando a amostra com um laser de radiao monocromtica em 488 nm e a radiao espalhada foi medida.

    3.3.4 Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier

    A Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR, do ingls Fourier Transform Infrared) foi utilizada para investigar de maneira qualitativa, a etapa de funcionalizao dos MWCNTs. Para esse fim utilizou-se o equipamento Bomem/MB-102, da Central de Anlises Qumicas do IQSC-USP, e os espectros foram obtidos utilizando uma disperso do p finamente pulverizado em leo de hidrocarboneto pesado (Nujol), sendo a disperso obtida examinada como um filme entre placas salinas planas.

  • 37

    A radiao infravermelha no possui energia suficiente para promover transies eletrnicas, portanto, essa tcnica est restrita a espcies moleculares que possuem

    diferenas energticas entre os estados vibracionais e rotacionais. Como os grupos funcionais que aparecem aps a funcionalizao dos MWCNT absorvem radiao infravermelha em freqncias conhecidas (por exemplo, O-H, C=O), a tcnica utilizada para averiguar se o processo de funcionalizao foi efetivo.

    3.3.5 Espectrometria de Absoro Molecular no Ultravioleta-visvel

    Muitos ons de metais de transio absorvem na regio ultravioleta ou visvel do espectro. Para o caso das nanopartculas de ouro, o comprimento de em que ocorre a absoro depende do tamanho da nanopartcula caracterizando as diferentes snteses. Os espectros de UV-vis foram obtidos com o espectrofotmetro Jasco V-630.

    3.3.6 Eletrodos e Sistema Eletroqumico

    As medidas eletroqumicas foram realizadas utilizando um potenciostato/galvanostato Metrohm, modelo Autolab PGSTAT 302, conectado a um microcomputador com o software GPES.

    Tambm utilizou-se uma cela de vidro, com capacidade de 40 mL com uma tampa de Teflon com orifcios para borbulhar N2, e para outros 3 eletrodos. Sendo uma folha de platina com 0,25 cm2 utilizada como contra-eletrodo e Ag/AgCl (KCl saturado) como eletrodo referncia. E, como eletrodos de trabalho, utilizou-se carbono vtreo (GC, do ingls glass carbon) com 3 mm de dimetro, com e sem modificao, e ouro cristalino, com 2 mm de dimetro, ambos embutidos em um suporte de Teflon.

  • 38

    Figura 8: Esquema ilustrativo da cela utilizada nos estudos eletroqumicos.

    3.3.6.1 Voltametria Cclica

    O estudo do comportamento eletroqumico dos eletrodos foi realizado utilizando a tcnica de voltametria cclica (CV, do ingls Cyclic Voltammetry), uma tcnica largamente utilizada para a aquisio de informaes qualitativas a cerca das reaes eletroqumicas. Para isso, foi feito uma varredura linear do potencial de um eletrodo de trabalho estacionrio em uma soluo sem agitao.

    3.3.6.2 Voltametria de Pulso Diferencial

    Utilizou-se a voltametria de pulso diferencial (DPV, do ingls Differencial-Pulse Voltammetry) para medir a quantidade de analito presente na soluo. Em voltametria de pulso diferencial, pulsos de magnitude constante so sobrepostos a uma rampa linear potencial que aplicada ao eletrodo de trabalho. A corrente amostrada duas vezes, imediatamente antes da aplicao do pulso e novamente no final da vida de pulso (aps aproximadamente 40 ms quando a corrente de carga decaiu). A primeira corrente instrumentalmente subtrada da segunda, e esta diferena de corrente [i = i (t2) - i (t1)] plotada em funo do potencial aplicado. O voltamograma de pulso diferencial resultante consiste de picos de corrente, cuja altura diretamente proporcional concentrao dos analitos correspondentes 4.

  • 39

    3.3.6.3 Cronoamperometria

    Os eletrodos utilizados neste trabalho foram submetidos a um tratamento prvio a fim de ativar sua superfcie do eletrodo, alm de obter-se uma superfcie reprodutiva e com um maior nmero de centros ativos. Para isso foram aplicados pulsos de potenciais por um determinado tempo utilizando a cronoamperometria, tcnica cuja base a medida da resposta de corrente quando se aplica um potencial.

    3.4 Purificao e Funcionalizao dos MWCNTs

    Primeiramente, 200mg de MWCNT foram colocados em refluxo, sob agitao, por 24 horas, em uma soluo de cido ntrico a uma concentrao de 3 mol L-1 e em seguida filtrados a vcuo, lavados com gua ultrapura e suspendidos em HCl 5 mol L-1.

    Em uma segunda etapa, a soluo foi colocada em refluxo, sob agitao por 6 horas. Em seguida, os MWCNT foram novamente filtrados a vcuo, lavados com gua ultrapura at pH neutro.

    Como terceiro e ltimo tratamento, foi feito a calcinao dos MWCNT em atmosfera esttica, a 510C por 60 minutos, obtendo-se o material puro. A temperatura utilizada foi a mesma que Chen, X. H. et al. 24 determinaram como ideal atravs da tcnica TGA.

    3.5 Decorao dos MWCNTs com Nanopartculas de Ouro

    Aps a etapa de pr-tratamento, os MWCNTs foram decorados com nanopartculas de ouro (AuNP) seguindo o procedimento descrito por Zhang, R. et al. 47.

    Em uma etapa de pr-disperso, 3 mg de MWCNT submetidos ao tratamento anterior foram misturados com 4,0 mL de uma soluo aquosa de citrato (1,0% m/m ) e a mistura foi submetida a tratamento ultrassnico (30 ou 100% da capacidade do equipamento) por 5 min. Aps essa pr-disperso, a suspenso obtida foi misturada a 96,0 mL de gua ultrapura. A suspenso diluda foi aquecida, sob agitao, at entrar em ebulio.

    Iniciada a ebulio, adicionou-se 0,5 mL de uma soluo aquosa de HAuCl4 (1,0 ou 0,1% m/m), e o sistema foi mantido sob agitao e ebulio por 5 min. Durante a

  • 40

    reao, a colorao da soluo altera-se de incolor com partculas pretas em suspenso, para vermelho com partculas pretas em suspenso, indicando a formao de nanopartculas de ouro. As alteraes feitas na sntese a fim de verificar a influncia do tratamento ultrassnico e da quantidade de citrato esto listadas na tabela 4.

    Tabela 5 : Snteses realizadas.

    SNTESE 1 (s1) SNTESE 2 (s2) SNTESE 3 (s3)

    TRATAMENTO ULTRASSNICO

    30% da potncia do equipamento

    100% da potncia do equipamento

    100% da potncia do equipamento

    QUANTIDADE DE CITRATO % massa/massa

    1,0% 1,0% 0,1%

    Aps a sntese, a soluo obtida foi deixada esfriar em temperatura ambiente e posteriormente centrifugada a 5400 rpm e foi seco em estufa a 70C.

    3.6 Preparao das suspenses AuNP/MWCNT e MWCNT

    Os materiais obtidos AuNP/MWCNT s1, AuNP/MWCNT s2, AuNP/MWCNT s3, MWCNT foram suspensos em isopropanol em uma concentrao de 1 mg mL-1. Essa suspenso foi submetida a banho ultrassnico durante 60 min a fim de obter-se uma soluo homognea.

    3.7 Preparao dos eletrodos de trabalho

    O eletrodo de carbono vtreo de 3 mm de dimetro foi polido em lixa 4000 e colocado em banho ultrassnico em etanol (5 min) e em gua (5 min).

    Aps ser seco com fluxo de N2, 5 gotas de 5 L das suspenses foram colocadas sobre o eletrodo e secos com fluxo de N2.

    Frequentemente reportado nos artigos 64,67,7174 a utilizao do Nfion a fim de evitar a interferncia do nitrito nas medidas de NO. Assim, seguindo o procedimento Wang, et. al 65, os eletrodos foram recobertos com 1,0 L de Nfion 0,5% a fim de evitar a interferncias nions e evitar a lixiviao do recobrimento dos eletrodos.

  • 41

    4 Resultados e discusso

    4.1 Purificao e funcionalizao dos MWCNT

    Os MWCNTs contm impurezas de carbono amorfo, partculas de grafite e metais catalisadores, portanto, necessita de tratamento prvio de purificao. Alm do mais, para fins eletroanalticos, esse material precisa ser um bom condutor, isso possvel atravs da funcionalizao cida dos nanotubos que insere grupos funcionais nas laterais e extremidades dos nanotubos. Neste trabalho foi realizado um tratamento de trs etapas proposto por Chen, X. H. et al. 24 a fim de purificar e funcionalizar os MWCNTs, uma vez que este apresentou-se eficiente e menos drstico que a maioria das outras metodologias.

    4.1.1 Caracterizao morfolgica e estrutural

    A imagem feita por MEV (figura 9a), mostra que o material cru possui MWCNT e aglomerados de materiais no tubulares e, pode-se observar as extremidades dos nanotubos fechadas. Aps a primeira etapa de tratamento com HNO3, observa-se (figura 9b) que grande parte das impurezas foram eliminadas. Isso decorre do fato do HNO3 ser altamente oxidante, tornando-o hbil a dissolver partculas metlicas e remover carbono amorfo por oxidao. Com a segunda etapa do tratamento utilizando HCl, pode-se observar defeitos nos MWCNT provocados pelo tratamento cido, (figura 9c), tais como, camadas externas abertas, extremidades desimpedidas e MWCNT mais finos. Aps a calcinao dos MWCNT, obteve-se o material puro utilizado nas demais etapas deste trabalho. Nas imagens (figura 9d) observa-se que aps calcinao final, os aglomerados de carbono amorfo e as camadas externas danificadas dos MWCNTs diminuram. Essa etapa baseada no fato de que os MWCNT e os carbonos amorfos possuem temperaturas de oxidao diferentes j que os MWCNT possuem ligaes do tipo sp2 e, portanto possuem temperaturas de oxidao mais altas que o carbono amorfo.

    Os defeitos no material final so necessrios para que haja grupos funcionais cidos, o que aumenta o poder cataltico dos nanotubos e facilita o posterior ancoramento das nanopartculas de ouro.

  • 42

    Figura 9: Imagens de MEV dos MWCNT (a) sem tratamento prvio, (b) Submetidos ao tratamento com HNO3 3M (c) Submetidos ao tratamento com HCl 5 mol L-1, (d) Submetidos ao tratamento trmico.

    (a)

    (b)

  • 43

    (c)

    (d)

    A tcnica de Raman foi utilizada para estimar a concentrao de defeitos aps a funcionalizao dos MWCNTs. Para isso, comparou-se a intensidade da banda D nos espectros, a qual aparece em torno de 1300 cm-1. Segundo Maultzsch, J. et al. 78, a intensidade da banda D deve ser normalizada em relao ao modo de alta energia, chamado de banda G (em torno de 1600cm-1) assumindo que, (i) o modo de alta energia independente da concentrao de defeitos e (ii) a intensidade da razo independe de qualquer outros efeitos. Para normalizar a banda D, seu valor foi dividido pelo valor da

  • 44

    banda G, obtendo-se o valor da banda D normalizada. Os espectros obtidos e as bandas D normalizadas encontram-se na figura 10 e tabela 5, respectivamente.

    Como a Banda D normalizada est diretamente ligada aos defeitos estruturais dos MWCNTs analisados, o fato desta apresentar um pequeno aumento nos MWCNT submetidos ao pr-tratamento quando comparado com a anlise dos MWCNT antes do pr-tratamento, um indcio de que os defeitos estruturais aumentaram aps o processo de funcionalizao e, portanto, a mesma foi realizada com sucesso.

    Figura 10: Espectros Raman dos nanotubos antes da funcionalizao (MWCNTsf) e aps a funcionalizao (MWCNTf).

    1000 1200 1400 1600 1800 2000

    0

    500

    1000

    15000

    500

    1000

    1500

    Comprimento de onda / cm-1

    MWCNTf

    Inte

    nsi

    dade

    Ban

    da D

    MWCNTsf

    Banda

    G

    Tabela 6: Valores das bandas D, G e D normalizada para os nanotubos antes do processo de funcionalizao (MWCNTsf) e aps o processo (MWCNTf).

    MWCNT sf MWCNT f

    Banda D 108,4 cm-1 146,1 cm-1

    Banda G 1023,8 cm-1 1310,7 cm-1

    Banda D norm. 0,106 0,111

  • 45

    Outro indcio de que o tratamento realizado promoveu a funcionalizao dos MWCNTs foi obtido pela anlise por FTIR (figura 11).

    Figura 11: Espectros de FTIR dos nanotubos de carbono antes do processo de funcionalizao (--- MWCNTsf) e aps a funcionalizao (---MWCNTf)

    3500 3000 2500 2000 150016

    17 cm

    -1

    t %

    Comprimento de onda (cm-1)

    MWCNT sf MWCNT f

    3317

    cm

    -1

    A banda em 3317 cm-1, que aparece exclusivamente no espectro do MWCNT funcionalizado, devido ao estiramento do grupo hidroxila (-OH), enquanto a banda em 1617 cm-1 caracterstica da carbonila (C=O). J as bandas 2970-2840 cm-1, 2395-2291 cm-1, 1473 cm-1 e 1378 cm-1, so caractersticas do Nujol, usado como meio dispersante para a anlise. O aparecimento desses grupos funcionais devido ao tratamento oxidante a que foi submetido os MWCNTs, sendo estes localizados nas extremidades abertas e nos defeitos estruturais que puderam ser observados aps o tratamento. A adio desses grupos auxiliam na homogeneizao da amostra e no posterior ancoramento das AuNP nas paredes dos MWCNT.

    4.2 Sntese das Nanopartculas de Ouro sobre os Nanotubos de Carbono

    Aps a funcionalizao dos MWCNTs, passou-se para a etapa de sntese das nanopartculas de ouro para a qual foi utilizado HAuCl4 como fonte de ouro e o citrato de sdio, Na3C6H5O7, como agente redutor e dispersante.

  • 46

    4.2.1 Efeito da intensidade do ultrassom na sntese das AuNP/MWCNT

    A primeira etapa na decorao dos MWCNTs com nanopartculas de ouro consistiu na disperso de 3,0 mg de MWCNTs funcionalizados em 4,0 mL de uma soluo de Na3C6H5O7 utilizando ultrassom por 5 min.

    A fim de determinar a influncia desta etapa, duas snteses foram realizadas utilizando a sonda ultrassnica a 30% e 100% de sua potncia, tais snteses foram nomeadas como s1 e s2, respectivamente (tabela 4). As demais condies experimentais foram mantidas, 1,27x10-4 mol L-1 de HAuCl4.3H2O, 1,55 x10-3 mol L-1 de Na3C6H5O7, 3,0 mg de MWCNT funcionalizados em 100 mL de meio reacional aquoso.

    Nenhuma alterao visual pde ser observada durante a sntese, assim, a fim de avaliar as alteraes ocorridas, determinou-se a composio qumica das snteses por EDX (figura12). Anlise por EDX da sntese de NPAu/MWCNT utilizando sonda ultrassnica a 30%, (firura 12a) indicou uma porcentagem mdia de ouro (n=3) de 2,3% com relao ao carbono. J a sntese utilizando sonda ultrassnica a 100%, (figura 12b) gerou uma porcentagem mdia de ouro (n=3) de 8,4% com relao ao carbono.

    Figura 12: Espectros de EDX das sinteses de AuNP utilizando sonda ultrassnica a (a) 30% e (b) 100%

    a b

    Acredita-se que a utilizao do ultrassom mais intenso faz com que os MWCNTs fiquem mais dispersos e completamente envolvidos pelo agente redutor Na3C6H5O7, auxiliando no ancoramento das AuNP formadas, obtendo-se, assim, uma maior razo de ouro em relao ao carbono (figura 13).

    0 2 4 6 8 10Energy (keV)

    0

    5000

    10000

    15000

    20000

    CountsC

    TiO

    AuAuAu

    TiTi

    Au Au0 2 4 6 8 10

    Energy (keV)0

    1000

    2000

    3000

    4000

    Counts

    C

    TiO

    F

    AuAu

    S

    Au

    STi

    Ti Au Au

  • 47

    A caracterizao estrutural foi realizada utilizando-se a tcnica de MEV-FEG, na qual possvel observar grandes diferenas entre as snteses.

    Na s1 (figura 13a) observa-se uma grande variedade nos tamanhos das AuNP, variando de aglomerados com cerca de 70 nm e partculas individuais com 22 nm, observa-se tambm um recobrimento no uniforme dos MWCNTs.

    J na s2, (figura 13b) apesar de apresentar alguns pequenos aglomerados, as esferas de AuNP so facilmente identificadas e possuem um tamanho mdio de 20 nm, alm do mais, mostram-se mais uniformemente distribudas nas paredes dos MWCNTs.

    Em ambos os casos, observa-se um ancoramento preferencial nas extremidades dos MWCNTs e na camada externa danificada, confirmando que os grupos funcionais gerados na primeira etapa de purificao e funcionalizao dos MWCNTs auxiliam no ancoramento das AuNP.

    Figura 13: Imagens de MEV-FEG das snteses de AuNP utilizando sonda ultrassnica a (a) 30% e (b) 100%

    a

    b

    Para um estudo eletroanaltico dos eletrodos preparados com as snteses, realizou-se voltametrias cclicas, em meio de H2SO4 0,1 mol L-1, com uma velocidade de varredura de 100 mV s-1, utilizando-se eletrodos de GC modificados com AuNP/MWCNT s1 ou s2,

  • 48

    os quais foram submetidos ao pr-tratamento descrito em 4.2.3. Os voltamogramas obtidos (figura 14) apresentam um perfil caracterstico do ouro, com um processo de oxidao pouco definido em torno de 1,0 V e um processo de reduo bem definido em 0,85 V para o eletrodo AuNP/MWCNT s2, enquanto para o eletrodo AuNP/MWCNT s1, observa-se apenas um processo de reduo em 0,75 V.

    A integrao do pico de reduo do xido de ouro em uma varredura catdica um mtodo comumente utilizado como indicativo da rea superficial microscpica do ouro e se baseia na quimissoro de oxignio na superfcie do ouro durante uma varredura positiva de potenciais. O eletrodo modificado com a sntese s1 possui um pico de reduo com uma rea de 7,5x10-5 V mA cm-2, enquanto o modificado com a sntese s2 possui uma rea 1,0 x10-4 V mA cm-2, o que indica uma maior quantidade de xido formado neste e, portanto, uma maior rea superficial de ouro exposta presente na s2, coerente com os resultados de MEV-FEG e EDX apresentados anteriormente.

    Figura 14: Perfil voltamtrico das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (---) na s1 ultrassom a 30% e (---) na s2 ultrassom a 100%

    0,0 0,6 1,2-1,0

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    I / m

    A cm

    -2

    E / V (vs Ag/AgCl)

    AuNP/MWCNT s1 AuNP/MWCNT s2

    4.2.2 Efeito da concentrao de Citrato de Sdio na sntese das AuNP/MWCNT

    Tambm foi estudado o efeito da quantidade de Na3C6H5O7 na sntese das AuNP suportadas em MWCNT. Para isso, alterou-se apenas a concentrao deste, sendo as demais condies experimentais mantidas constantes (1,27x10-4 mol L-1 de HAuCl4.3H2O, 3,0 mg de MWCNT e sonda ultrassnica a 100% da potncia mxima).

  • 49

    Assim, as snteses nomeadas como s2 e s3 foram realizadas utilizando 1,55 x10-3 mol L-1 e 1,55 x10-4 mol L-1 de Na3C6H5O7, respectivamente (tabela 4).

    Durante o procedimento, j foi possvel visualizar diferenas entre as snteses, pois o sobrenadante da sntese s2 apresentou uma colorao vermelha enquanto o da sntese s3 apresentou uma colorao roxa. Segundo Frens, G.37, suspenses de ouro com partculas com 24,5 e 41,0 nm de dimetro apresentam colorao vermelha, enquanto as com partculas de 97,5 e 147,0 nm de dimetro apresentam colorao roxa.

    Aps a centrifugao e secagem dos AuNP/MWCNT, uma parte das nanopartculas geradas no ficam ancoradas nos MWCNTs e ainda continuam no meio reacional. Esse sobrenadante foi caracterizado por espectrometria de absoro molecular no ultravioleta-visvel com uma varredura de 400 a 700 nm e o espectro obtido est representado na Figura 15a juntamente com a foto digital dos dois sobrenadantes (figura 15b/c).

    Segundo Ferning, D.G. et al.79 as funes ticas do ouro so dependentes do tamanho de suas partculas e que partculas com aproximadamente 20 nm de dimetro apresenta absoro no UV-Vis em aproximadamente 525 nm, coerente com a sntese s2, e essa banda se desloca para valores maiores de comprimento de onda com o aumento do dimetro da partcula, sendo a banda em torno de 545 nm, apresentada pela sntese s3, caracterstica de partculas com aproximadamente 70-80 nm de dimetro. No entanto, como a sntese s3 apresentou uma banda alargada, provavelmente apresenta partculas livres de dimetro variado, porm maiores que os apresentados pela s2.

    Figura 15: (a) Espectro de UV-vis do sobrenadante das snteses (---) s2 e (---) s3. Fotos digitais dos sobrenadantes das snteses (b) s2 e (c) s3.

    400 450 500 550 600 650 700

    s3 (1,55x10-4 mol L-1 de Na3C6H5O7) s2 (1,55x10-3 mol L-1 de Na3C6H5O7)

    Comprimento de onda / nm

    524 nm546 nm

    abs

    a

    b c

  • 50

    A microanlise da amostra s2 por EDX indicou uma porcentagem mdia de ouro (n=3) de 8,4% com relao ao carbono (figura 16a), enquanto a amostra s3 gerou uma porcentagem mdia de ouro (n=3) de 18,6% com relao ao carbono (figura 16b). Assim, mesmo com uma quantidade menor de agente redutor na sntese s3, uma maior quantidade de ouro foi reduzida, mostrando que a diferena entre a quantidade de AuNP formada est ligada principalmente funo do citrato como dispersante, uma vez que, estando presente uma menor quantidade de citrato, existe um espao maior entre as molculas de ouro, permitindo que as nanopartculas cresam mais.

    Figura 16: Espectros de EDX das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (a) 1,55 x10-3 mol L-1 e (b) 1,55 x10-4 mol L-1 de Na3C6H5O7

    a b

    Procedeu-se ento com a anlise estrutural das snteses atravs da tcnica de MEV-FEG (figura 17), com a qual possvel observar grandes diferenas entre as duas snteses.

    0 2 4 6 8 10Energy (keV)

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    Counts

    C

    TiOF

    Au

    Au

    Au

    Ti

    TiAu Au

    0 2 4 6 8 10Energy (keV)

    0

    1000

    2000

    3000

    4000

    Counts

    C

    TiO

    F

    AuAu

    S

    Au

    STi

    Ti Au Au

  • 51

    Figura 17: Imagens de MEV-FEG das snteses de AuNP/MWCNT utilizando (a) 1,55 x10-3 mol L-1 (s2) e (b) 1,55 x10-4 mol L-1 (s3) de Na3C6H5O7

    a

    b

    Ambas as snteses apresentam partculas bem distribudas nas paredes laterais e extremidades dos MWCNT, no entanto, a sntese s3 (figura 17 b) apresentou partculas com um tamanho mdio de 45 nm de dimetro, o dobro do tamanho das AuNPs geradas pela sntese s2, a qual apresentou um tamanho mdio de 20 nm. Observa-se tambm em s3 uma aglomerao de AuNP, com 213 nm de dimetro, mostrando o ancoramento preferencial destas nas extremidades abertas, devido ao grande nmero de grupos funcionais presentes nesta regio.

    Pode-se observar uma correlao entre a quantidade Na3C6H5O7 e o tamanho das nanopartculas, conforme assinalado no trabalho

    de Frens, G.37, no qual foi proposto que o tamanho das nanopartculas de ouro inversamente proporcional quantidade de Na3C6H5O7 utilizado na sntese, indicando um mecanismo de crescimento atravs de um processo de nucleao rpido, seguido pelo crescimento controlado por difuso.

    O pH da soluo tambm deve ser considerado nesta discusso, j que o Na3C6H5O7, quando hidrolisado, forma uma base forte e um cido fraco, o que altera o pH final da soluo, dependendo de sua concentrao. Alm do mais, Peng, X et al 80 mostrou em seu trabalho que nem sempre o mecanismo proposto por Frens, G vlido,

  • 52

    sendo o mecanismo de crescimento das nanopartculas de ouro dependente do pH do meio. Assim pode-se assegurar que na faixa de pH de 6,5 a 7,7, o mecanismo proposto vlido e adequado para descrever o presente trabalho.

    Neste trabalho foram utilizadas duas concentraes de Na3C6H5O7, 1,55 x10-3 mol L-1 e 1,55 x10-4 mol L-1, as quais possuem pH 7,70 e 7,50 respectivamente. Sendo que, a primeira soluo levou produo de partculas com 20 nm de dimetro e a segunda com 45 nm. Com isso, a diferena de tamanho nas nanopartculas sintetizadas neste trabalho pode ser explicada pelo fato de que, com o aumento da concentrao do agente redutor, h um aumento a quantidade de ncleos de crescimento gerados inicialmente e aps esta rpida etapa de nucleao, o nmero de nanocristais permanece constante e passa-se para uma etapa de crescimento controlado por difuso. Assim, quando utilizado 1,55 x10-3 mol L-1, um maior nmero de ncleos de crescimento so gerados, obtendo-se como produto final um maior nmero de AuNP com um menor tamanho. Enquanto, quando utilizados 1,55 x10-4 mol L-1, um menor nmero de ncleos so formados, os quais crescem mais durante a segunda etapa, com isso obtm-se um menor nmero de AuNP e com um maior dimetro.

    Tambm foi realizado um estudo eletroanaltico das sntese