Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Licenciado em Quiacutemica Aplicada ndash Ramo de Biotecnologia
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para
monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Dissertaccedilatildeo para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em Bioquiacutemica
Orientador Elvira Maria Correia Fortunato Prof Doutora FCT - UNL Coorientador Liacutedia Santos Doutora FCT-UNL
Juacuteri
Presidente Prof Doutor Joseacute Ricardo Ramos Franco Tavares Arguente Prof Doutor Hugo Manuel Brito Aacuteguas
Vogais Prof Doutora Elvira Maria Correia Fortunato Doutora Liacutedia Santos
Abril de 2016
Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Licenciado em Quiacutemica Aplicada ndash Ramo de Biotecnologia
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e
flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Dissertaccedilatildeo para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em
Bioquiacutemica
Orientador Elvira Maria Correia Fortunato Prof Doutora FCT - UNL
Coorientador Liacutedia Santos Doutora FCT - UNL
Abril de 2016
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE PH DE BAIXO-
CUSTO E FLEXIacuteVEL PARA MONITORIZACcedilAtildeO BIOLOacuteGICA
copy Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia
Universidade Nova de Lisboa
A Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tecircm o
direito perpeacutetuo e sem limites geograacuteficos de arquivar e publicar esta dissertaccedilatildeo
atraveacutes de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital ou por
qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado e de a divulgar
atraveacutes de repositoacuterios cientiacuteficos e de admitir a sua coacutepia e distribuiccedilatildeo com
objetivos educacionais ou de investigaccedilatildeo natildeo comerciais desde que seja dado
creacutedito ao autor e editor
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica i
ldquoScience never solves a problem without creating ten morerdquo
George Bernard Shaw
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Licenciado em Quiacutemica Aplicada ndash Ramo de Biotecnologia
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e
flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Dissertaccedilatildeo para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em
Bioquiacutemica
Orientador Elvira Maria Correia Fortunato Prof Doutora FCT - UNL
Coorientador Liacutedia Santos Doutora FCT - UNL
Abril de 2016
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE PH DE BAIXO-
CUSTO E FLEXIacuteVEL PARA MONITORIZACcedilAtildeO BIOLOacuteGICA
copy Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia
Universidade Nova de Lisboa
A Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tecircm o
direito perpeacutetuo e sem limites geograacuteficos de arquivar e publicar esta dissertaccedilatildeo
atraveacutes de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital ou por
qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado e de a divulgar
atraveacutes de repositoacuterios cientiacuteficos e de admitir a sua coacutepia e distribuiccedilatildeo com
objetivos educacionais ou de investigaccedilatildeo natildeo comerciais desde que seja dado
creacutedito ao autor e editor
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica i
ldquoScience never solves a problem without creating ten morerdquo
George Bernard Shaw
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE PH DE BAIXO-
CUSTO E FLEXIacuteVEL PARA MONITORIZACcedilAtildeO BIOLOacuteGICA
copy Seacutergio Luiacutes Seixas Filipe
Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia
Universidade Nova de Lisboa
A Faculdade de Ciecircncias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tecircm o
direito perpeacutetuo e sem limites geograacuteficos de arquivar e publicar esta dissertaccedilatildeo
atraveacutes de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital ou por
qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado e de a divulgar
atraveacutes de repositoacuterios cientiacuteficos e de admitir a sua coacutepia e distribuiccedilatildeo com
objetivos educacionais ou de investigaccedilatildeo natildeo comerciais desde que seja dado
creacutedito ao autor e editor
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica i
ldquoScience never solves a problem without creating ten morerdquo
George Bernard Shaw
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica i
ldquoScience never solves a problem without creating ten morerdquo
George Bernard Shaw
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iii
AGRADECIMENTOS
Eacute com um enorme sentimento de realizaccedilatildeo pessoal e profissional que termino mais uma etapa
da minha formaccedilatildeo acadeacutemica Este feito teria sido impossiacutevel sem a ajuda de muitas pessoas a
quem deixo o meu mais sincero agradecimento
Agrave minha orientadora Professora Elvira Fortunato por me ter proporcionado a integraccedilatildeo num
centro de investigaccedilatildeo de excelecircncia pela orientaccedilatildeo e por ser um exemplo a seguir
Agrave minha coorientadora Liacutedia Santos pela orientaccedilatildeo paciecircncia conhecimentos transmitidos e
capacidade de estiacutemulo ao longo de todo o trabalho Obrigado pelo apoio
Agrave Alexandra Gonccedilalves pela paciecircncia em responder a todos os meus imensos pedidos no
laboratoacuterio Agrave Soacutenia Pereira tambeacutem pelo apoio no laboratoacuterio e pelo cuidado com as minhas
amostras para anaacutelise Agrave Daniela Gomes pela ajuda e paciecircncia na visualizaccedilatildeo das minhas
amostras no Microscoacutepio eletroacutenico de varrimento Aos restantes colegas do CENIMAT que embora
natildeo estejam mencionados fomentaram sempre a boa disposiccedilatildeo e cooperaccedilatildeo no laboratoacuterio
Ao Mauro e aacute Diana por terem aparecido na minha vida Que boa surpresa Ao Hugo ao Nuno e
ao Alexandre que foram e seratildeo sempre grandes pilares na minha vida
Agrave Carolina por todo o amor compreensatildeo e ajuda que me deu ao longo desta minha jornada
acadeacutemica Sem ti natildeo teria sido possiacutevel Te dua )
Aos meus pais que sempre acreditaram na minha pessoa Devo-vos o Mundo por terem tornado
na pessoa que sou Seraacute sempre ateacute ao fim Tambeacutem ao meu irmatildeo que como irmatildeo mais velho me
cultivou o espiacuterito cientiacutefico de sempre querer saber mais Obrigado
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica iv
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica v
RESUMO
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporados em diferentes tipos
de substratos eacute uma aacuterea de investigaccedilatildeo em constante crescimento Este tipo de sensores podem
ser usados para monitorizar condiccedilotildees de sauacutede e estado fiacutesico providenciando benefiacutecios
significativos em diversas aacutereas O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no
diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas assim como na monitorizaccedilatildeo de outros processos bioloacutegicos
Contudo os sensores de pH convencionais possuem uma arquitetura difiacutecil de integrar nos
dispositivos de diagnoacutestico da proacutexima-geraccedilatildeo que requerem sensores flexiacuteveis leves e de tamanho
reduzido O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor eletroquiacutemico de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica utilizando nanopartiacuteculas de trioacutexido de
tungsteacutenio como camada ativa do eleacutetrodo de trabalho Para isso foram padronizados eleacutetrodos de
ouro num substrato flexiacutevel de poli-imida onde foram depositadas diferentes amostras de
nanopartiacuteculas de WO3 por drop-casting As nanopartiacuteculas com estrutura cristalograacutefica hexagonal
sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal durante 1 hora permitiram a mediccedilatildeo do pH numa gama de 5
a 9 com uma sensibilidade de -306 mVpH e um erro associado de 21 mV Estas nanopartiacuteculas
foram entatildeo depositadas tambeacutem por drop-casting em eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela
teacutecnica de induccedilatildeo a laser apresentando uma sensibilidade de -105 mVpH com um erro associado
de 21 mV O sensor de pH desenvolvido com eleacutetrodos de grafeno poroso natildeo apresenta um
comportamento tiacutepico Nernstiniano devido agrave elevada espessura da camada de nanopartiacuteculas de
WO3 na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho o que impede a passagem eficaz dos eletrotildees Verificou-
se assim que o meacutetodo de deposiccedilatildeo de nanopartiacuteculas necessita ser otimizado Contudo este
trabalho permitiu demonstrar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno poroso em substratos de
poli-imida pode ser aplicada ao fabrico de sensores eletroquiacutemicos de baixo-custo de raacutepida
produccedilatildeo (15 segundossensor) flexiacuteveis e de tamanho reduzido
Palavras-chave sensor de pH nanopartiacuteculas de trioacutexido de tungsteacutenio teacutecnica de induccedilatildeo a laser
grafeno poroso monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vi
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica vii
ABSTRACT
The development of sensors for biological monitoring embedded into different types of
substrates is a growing area of research These type of sensors can be used to monitor personal
health and physical status thus providing significant benefits in diverse fields pH is a vital
physiological parameter that can be used for disease diagnosis and treatment as well as in monitoring
other biological processes However conventional pH sensors have an architecture difficult to
integrate in the next generation of diagnostic devices which require flexible lightweight and small size
sensors The main goal of this work was to develop a flexible and low cost electrochemical pH sensor
using tungsten trioxide nanoparticles as the working electrode active layer For that gold electrodes
were patterned in a flexible polyimide substrate were different WO3 nanoparticles samples were drop-
casted The hexagonal crystallographic structure nanoparticles synthesized through a hydrothermal
method during 1 hour allowed the pH measurement in a range from 9 to 5 with a sensibility of -306
mVpH and an associated error of 21 mV These nanoparticles were then drop-casted in laser-
induced porous graphene electrodes showing a sensibility of -105 mVpH and an associated error of
21 mV The developed pH sensor with porous graphene electrodes doesnrsquot show a typical Nernstian
behavior due to the high thickness of the WO3 nanoparticles layer on the working electrode surface
which inhibits the effective passage of electrons This studied revealed that the nanoparticles
deposition method still requires some optimization However this work has allowed to demonstrate
that the porous graphene laser induced technique in polyimide substrates can be applied to the
manufacture of low cost fast production (15 seconds per sensor) flexible and small sized
electrochemical sensors
Keywords pH sensor tungsten trioxide nanoparticles laser-induced technique porous graphene
biological monitoring
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica viii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica ix
LISTA DE ACROacuteNIMOS
ELISA ndash Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay
IUPAC ndash International Union of Pure and Applied Chemistry
ISFET ndash Ion-Selective Field Effect Transistor
NPs ndash Nanopartiacuteculas
WO3NPs ndash Nanopartiacuteculas de Trioacutexido de Tungsteacutenio
CENIMAT ndash Centro de Investigaccedilatildeo em Materiais
NTC ndash Nanotubos de Carbono
LCD ndash Light Crystal Display
OLED ndash Organic Light-Emitting Diode
ADN ndash Aacutecido Desoxirribonucleico
GP ndash Grafeno Poroso
GIL ndash Grafeno Induzido a Laser
DRX ndash Difraccedilatildeo de Raios-X
SEM ndash Microscopia Eletroacutenica de Varrimento (do inglecircs Scanning Electron Microscopy)
FIB ndash Focused Ion Beam
PCA ndash Potencial de Circuito Aberto
ADE ndash Agentes Direcionais de Estrutura
ICDD ndash International Centre for Diffraction Data
o1H ndash WO3NPs ortorrocircmbica hidratada com tempo de siacutentese de 1 hora
h1H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 1 hora
h6H ndash WO3NPs hexagonal com tempo de siacutentese de 6 hora
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica x
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xi
LISTA DE SIacuteMBOLOS
cH ndash Concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3
c0 ndash Concentraccedilatildeo-padratildeo
aH ndash atividade relativa de H+
γH ndash Coeficiente de atividade molecular de H+
mH ndash Molalidade dos iotildees H+
m0 ndash Molalidade padratildeo
E ndash Potencial
E0 ndash Potencial de referecircncia
Hs+ ndash Atividade dos iotildees H+ em soluccedilatildeo
He+ ndash Atividade dos iotildees H+ no eletroacutelito
e- ndash Eletratildeo
λ ndash Comprimento de onda do feixe incidente
θ ndash Acircngulo de Bragg
n ndash Nuacutemero de reflexotildees
dhkl ndash Distacircncia entre planos
θc ndash Acircngulo de contanto
γSG ndash Tensatildeo superficial soacutelido-gaacutes
γSL ndash Tensatildeo superficial soacutelido-liacutequido
γLG ndash Tensatildeo superficial liacutequido-gaacutes
SiC ndash Carbeto de Siliacutecio
u a ndash Unidade Adimensional
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiii
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS
AGRADECIMENTOS III
RESUMO V
ABSTRACT VII
LISTA DE ACROacuteNIMOS IX
LISTA DE SIacuteMBOLOS XI
IacuteNDICE DE MATEacuteRIAS XIII
IacuteNDICE DE FIGURAS XV
IacuteNDICE DE TABELAS XIX
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS 1
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3
21 SENSORES DEFINICcedilAtildeO PROPRIEDADES E APLICACcedilOtildeES 3
211 SENSORES ELETROQUIacuteMICOS 4
22 SENSORES DE PH 5
221 TRANSDUCcedilAtildeO COLORIMEacuteTRICA 5
222 TRANSDUCcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 6
23 SENSORES FLEXIacuteVEIS BASEADOS EM OacuteXIDOS METAacuteLICOS 8
231 TRIOacuteXIDO DE TUNGSTEacuteNIO 9
232 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES COM NANOPARTIacuteCULAS 11
24 GRAFENO 11
241 GRAFENO POROSO 15
242 TEacuteCNICAS DE PRODUCcedilAtildeO 16
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO 19
31 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 19
32 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 21
321 FEIXE DE IOtildeES FOCALIZADOS 22
33 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 23
34 AcircNGULOS DE CONTACTO 24
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xiv
35 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO 26
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL 27
41 SIacuteNTESE HIDROTERMAL DE WO3NPS 27
42 PRODUCcedilAtildeO DOS SENSORES DE PH 28
421 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 28
422 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO 29
423 DEPOSICcedilAtildeO DA CAMADA DE WO3NPS 30
43 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 31
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS 33
51 CARACTERIZACcedilAtildeO DAS NANOPARTIacuteCULAS DE WO3 SINTETIZADAS 33
511 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 34
512 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 36
52 DESENVOLVIMENTO DO SENSOR DE PH 37
521 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 37
522 SENSOR DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 40
5221 DIFRACcedilAtildeO DE RAIOS-X 43
5222 ESPETROSCOPIA DE RAMAN 43
5223 MICROSCOPIA ELETROacuteNICA DE VARRIMENTO 44
53 CARACTERIZACcedilAtildeO ELETROQUIacuteMICA 45
531 SENSIBILIDADE REPRODUTIBILIDADE E REVERSIBILIDADE DO SENSOR DE PH 45
5311 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE OURO 45
5312 SENSORES DE PH COM ELEacuteTRODOS DE GRAFENO POROSO 49
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS 51
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 53
8 ANEXOS 55
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal 55
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xv
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor 3
Figura 22 Indicadores redox com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH 6
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg
2009[14] 7
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b)
Display electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH 9
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p
totalmente preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees
maacuteximo em cada niacutevel energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23] 10
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com
defeito Adaptado de Marques 2014[22] 10
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em
relaccedilatildeo ao grafeno Retirado de Berger 2014[25] 12
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang
2012[30] 12
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e
2015 (b) Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de
Peplow 2015[33] 13
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash
descamaccedilatildeo da grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento
epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos
aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do substrato rearranjados na forma
de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435] 14
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo
de polarizaccedilatildeo VB entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu
2012[37] 16
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra
uma imagem microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por
laser) Adaptado de Lin 2014 [45] 16
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X 20
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo
esquemaacutetica de um equipamento de SEM 21
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de
Raman de ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46] 23
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie 24
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato 25
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs 27
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho 28
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvi
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a
deposiccedilatildeo do ouro (c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida 29
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de
pH com eleacutetrodos de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados
com tinta condutora de prata 30
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos
de GP (b) sensor de pH com eleacutetrodos de ouro 31
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH
desenvolvidos 32
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das
soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4 durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H) 34
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a)
Estrutura cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado
de Marques 2014 36
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas 36
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de
WO3NPs depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura
cristalograacutefica ortorrocircmbica hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do
eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a
amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem ampliada da amostra h1H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo
com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H
na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas
artificialmente para uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde
WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs h1H azul vivo WO3NPs h6H 39
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho em destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute
tambeacutem apresentada 40
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida 41
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo
a laser num substrato de poli-imida 42
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a
preto) 43
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de
potecircncia a uma velocidade de 30 43
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-
imida (a) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato
de poli-imida (b) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xvii
ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX com o caacutelculo do diacircmetro
do poro 44
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As
imagens foram coloridas artificialmente para permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes
camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP 45
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 46
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra o1H 46
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h6H 47
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 48
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs 48
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem
camada ativa de WO3NPs 49
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde
estaacute representada a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de
reversibilidade do sensor de pH com a amostra h1H 49
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xviii
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xix
IacuteNDICE DE TABELAS
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil
2009[13] 8
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno
obtido Adaptado de Berger 2014[25] 13
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs 27
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo) 29
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo 31
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas 33
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus 34
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do
eleacutetrodo de ouro As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua
destilada e na mistura de aacutegua destilada com butil eacuteter nas razotildees 501 e 101 37
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de
grafeno por induccedilatildeo a laser no substrato de poli-imida As resistividadess do grafeno obtido
foram medidas com um muacuteltimetro mantendo uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As
medidas foram feitas em triplicado 41
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica xx
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 1
1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS
O desenvolvimento de sensores para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica integrados em diferentes tipos de
substratos tem-se tornado uma aacuterea de pesquisa intensiva por parte da comunidade cientiacutefica Este
tipo de sensores podem ser utilizados para monitorizar remotamente condiccedilotildees de sauacutede e o estado
fiacutesico de uma pessoa trazendo benefiacutecios em diversos campos como por exemplo no desporto em
aplicaccedilotildees militares e na sauacutede
O pH eacute um paracircmetro fisioloacutegico vital que pode ser usado no diagnoacutestico e tratamento de
doenccedilas assim como para monitorizar outros processos bioloacutegicos No entanto a integraccedilatildeo de
sistemas de mediccedilatildeo de pH na proacutexima geraccedilatildeo de dispositivos para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica requer
uma arquitetura diferente da que eacute atualmente usada nos eleacutetrodos de vidro convencionais Apesar
de jaacute terem sido desenvolvidos alguns sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel em
membranas de nitreto de siliacutecio e em substratos de poli-imida apresentam ainda algumas limitaccedilotildees
maioritariamente relacionadas com a resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e agrave miniaturizaccedilatildeo
Os sistemas de mediccedilatildeo eletroquiacutemicos baseados em oacutexidos metaacutelicos apresentam diversas
vantagens devido aos seus baixos custos de produccedilatildeo compatibilizaccedilatildeo com processos de produccedilatildeo
agrave pequena escala elevada sensibilidade e abundacircncia Aleacutem disso a mediccedilatildeo do pH pode ser
realizada por um meacutetodo potenciomeacutetrico que eacute uma das teacutecnicas eletroquiacutemicas mais comuns
simples e passiacuteveis de portabilidade
O trioacutexido de tungsteacutenio (WO3) eacute um oacutexido metaacutelico bastante promissor devido ao seu baixo
custo de produccedilatildeo elevada estabilidade elevado controlo na sua morfologia e estrutura na siacutentese
de nanoestruturas Apresenta ainda mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade elevada sensibilidade
seletividade e biocompatibilidade Aleacutem disso sendo o WO3 um semicondutor bastante estudado eacute
utilizado em diversas aplicaccedilotildees como por exemplo em sensores material cromogeacuteneo ou como
catalisador
Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sensor de pH flexiacutevel e de baixo-custo para ser
utilizado na monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Para tal foram produzidos diferentes tipos de eleacutetrodos planos
em substratos polimeacutericos e utilizou-se nanopartiacuteculas de WO3 (WO3NPs) como camada sensiacutevel
As etapas principais deste trabalho englobaram
a Siacutentese hidrotermal de WO3NPs com diferentes estruturas cristalograacuteficas para aplicar
no eleacutetrodo de trabalho
b Deposiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro em substratos de poli-imida
c Otimizaccedilatildeo da teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser em substratos de poli-imida para
utilizaccedilatildeo como eleacutetrodos de baixo custo
d Produccedilatildeo do sensor de pH e deposiccedilatildeo da camada sensiacutevel no eleacutetrodo de trabalho
e Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos diferentes sensores produzidos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 2
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 3
2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
21 Sensores definiccedilatildeo propriedades e aplicaccedilotildees
Por definiccedilatildeo um sensor eacute um dispositivo que responde a um estiacutemulo fiacutesico ou quiacutemico de
maneira especiacutefica traduzindo este estiacutemulo num sinal mensuraacutevel[12] De uma forma geral um
sensor eacute composto por trecircs componentes principais um recetor sensiacutevel a um determinado estiacutemulo
externo um transdutor que converte a informaccedilatildeo obtida num sinal mensuraacutevel e um detetor que lecirc o
sinal (Figura 21)[12]
Figura 21 Esquema geral do funcionamento de um sensor
Existem vaacuterias classificaccedilotildees possiacuteveis de tipos de sensores as quais se podem basear no
tamanho tipo de aplicaccedilatildeo ou mecanismo de transduccedilatildeo da resposta Considerando esta ultima
existem transdutores baseados nos seguintes mecanismos[1]
Eletroquiacutemico voltameacutetrico potenciomeacutetrico amperomeacutetrico
Quiacutemico concentraccedilatildeo ou presenccedila de um analitoiatildeo pressatildeo parcial atividade quiacutemica
Oacutetico transmissatildeoabsorccedilatildeo reflexatildeo luminescecircncia iacutendice de refraccedilatildeo efeito optoteacutermico
polarizaccedilatildeo
Sensiacuteveis agrave variaccedilatildeo de massa piezoeleacutetrico superfiacutecie de onda acuacutestica
Magneacutetico medidas de paramagnetismo
Efeito teacutermico medidas de mudanccedila de temperatura
Tendo em conta o tipo de medida a que se destinam os sensores existentes podem tambeacutem ser
classificados como quiacutemicos ou fiacutesicos Os sensores fiacutesicos medem propriedades como viscosidade
temperatura iacutendice de refraccedilatildeo etc[1] Os sensores quiacutemicos medem normalmente concentraccedilotildees de
fluidos (liacutequidos ou gases) Dentro dos sensores quiacutemicos inserem-se tambeacutem os biossensores que
detetam amostras bioloacutegicas e possuem biorecetores como por exemplo enzimas anticorpos etc[1]
De acordo com a base de dados Web of Science cerca de 680 mil artigos cientiacuteficos foram
publicados contendo a palavra-chave ldquosensorrdquo ou ldquosensorsrdquo desde 2010 Estes trabalhos referem-se
a investigaccedilotildees com sensores de diversos tipos e incluem transduccedilatildeo potenciomeacutetrica
amperomeacutetrica piezoeleacutetrica oacutetica teacutermica condutimeacutetrica colorimeacutetrica entre outras Percebe-se
portanto a vastidatildeo de uma aacuterea vigorosamente crescente Mesmo no que concerne agraves teacutecnicas
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 4
eletroquiacutemicas verifica-se a existecircncia de milhares de trabalhos sobre o assunto em que satildeo
abordados toacutepicos sobre novos materiais aplicaccedilotildees em amostras ambientais bioloacutegicas e de
interesse industrial novos meacutetodos de fabricaccedilatildeo estrateacutegias para melhoria na seletividade e nos
limites de deteccedilatildeo etc
O desenvolvimento de sensores flexiacuteveis para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica incorporando diferentes
tipos de substratos eacute uma aacuterea em grande desenvolvimento Sensores deste tipo podem ser
incorporados em diferentes tecircxteis que podem providenciar grandes benefiacutecios em diversas aacutereas
como no desporto medicina e exeacutercito Tais sensores permitem a monitorizaccedilatildeo remota do estado de
sauacutede de uma pessoa tal como o estado fiacutesico de soldados ou atletas de alto niacutevel[34]
Tem vindo tambeacutem a aumentar a necessidade de uma monitorizaccedilatildeo constante de contaminantes
no nosso ambiente Devido a novas teacutecnicas e legislaccedilotildees sobre as mesmas eacute importante
monitorizar o desperdiacutecio de resiacuteduos nas aacuteguas residuais bem como a monitorizaccedilatildeo da emissatildeo de
agentes canceriacutegenos ou resiacuteduos de explosivos para o ambiente Aacute parte do impacto direto na sauacutede
e no ambiente a contaminaccedilatildeo dos solos e aacuteguas pode ter repercussotildees econoacutemico-financeiras
bastante consideraacuteveis daiacute haver uma grande urgecircncia em desenvolver sensores nestas aacutereas
capazes de oferecer uma monitorizaccedilatildeo constante in situ e em tempo real[56]
211 Sensores eletroquiacutemicos
Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquiacutemico flexiacutevel e de baixo-custo para a
quantificaccedilatildeo do pH de forma a permitir a monitorizaccedilatildeo bioloacutegica Mais especificamente este sensor
pode complementar o diagnoacutestico de doenccedilas como na deteccedilatildeo de ADN (aacutecido desoxirribonucleico)
de agentes patogeacutenicos na quantificaccedilatildeo de glucose para pacientes com diabetes ou ateacute no controlo
da adesatildeo dos anticorpos em microplacas de ensaios de ELISA (do inglecircs Enzyme-linked
Immunosorbent Assay) [37ndash9]
Um sensor eletroquiacutemico eacute normalmente composto por um eleacutetrodo de trabalho um
contra-eleacutetrodo um eleacutetrodo de referecircncia e um eletroacutelito Acoplado ao sensor encontra-se o
equipamento de mediccedilatildeo que funciona como transdutor A informaccedilatildeo obtida nas medidas com estes
sensores resulta da interaccedilatildeo do analito alvo com a camada de reconhecimento do eleacutetrodo de
trabalho originando uma alteraccedilatildeo quiacutemica no recetor (eleacutetrodo de trabalho) que depois eacute convertido
num sinal eleacutetrico pelo transdutor[5]
Dependendo do tipo de sinal eletroquiacutemico que se pretende medir existem diferentes teacutecnicas
divididas em potenciomeacutetricas condutimeacutetricas amperomeacutetricas ou voltameacutetricas
O sensor ideal deve ser especiacutefico para um determinado analito alvo sensiacutevel a pequenas
alteraccedilotildees na concentraccedilatildeo desse mesmo analito possuir um tempo de resposta raacutepido um tempo
de vida longo de pelo menos vaacuterios meses e um tamanho pequeno com um baixo custo de
produccedilatildeo[3]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 5
22 Sensores de pH
A determinaccedilatildeo do pH eacute uma das medidas mais importantes e comuns em meios bioloacutegicos
pois eacute capaz de indicar as condiccedilotildees de processos importantes como o crescimento populacional no
caso de cultura de micro-organismos ou o estado metaboacutelico de um paciente podendo ser aplicado
na monitorizaccedilatildeo de infeccedilatildeo de feridas no diagnoacutestico e tratamento de doenccedilas aleacutem de outros
processos bioloacutegicos[34]
Os termos ldquovalor de pHrdquo foi introduzido pela primeira vez em 1909 pelo bioquiacutemico Soslashren P L
Soslashrensen para descrever a pressatildeo dos iotildees hidrogeacutenio (H+) em soluccedilotildees aquosas dada pela
Equaccedilatildeo 21 onde cH eacute a concentraccedilatildeo dos iotildees H+ em moldm3 e c0 eacute a concentraccedilatildeo-padratildeo que eacute
igual a 1 moldm3 O ldquoprdquo vem do alematildeo potenz que significa poder de concentraccedilatildeo e o ldquoHrdquo
representa o iatildeo de hidrogeacutenio (H+)[10]
119901119867 = minuslog (119888119867119888deg) Equaccedilatildeo 21
Subsequentemente foi aceite que era mais correto definir a quantidade pH como a atividade
relativa dos iotildees H+ em soluccedilatildeo dada pela Equaccedilatildeo 22
119901119867 = minus119897119900119892(119886119867) = minuslog (119898119867120574119867119898deg) Equaccedilatildeo 22
onde aH eacute a atividade relativa dos iotildees H+ γH eacute coeficiente da atividade molal dos iotildees H+ agrave molalidade
mH e m0 eacute a molalidade padratildeo No entanto apesar de esta ser a definiccedilatildeo aceite pela IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a mesma considera que uma vez que a
quantidade pH eacute definida em termos de uma quantidade que natildeo pode ser medida por nenhum
meacutetodo termodinacircmico a Equaccedilatildeo 22 apenas pode ser considerada uma notaccedilatildeo empiacuterica[10ndash12]
Existem vaacuterios tipos de medidores de pH que se baseiam essencialmente na transduccedilatildeo
colorimeacutetrica ou na transduccedilatildeo eletroquiacutemica[1013]
221 Transduccedilatildeo Colorimeacutetrica
Os indicadores colorimeacutetricos de pH satildeo frequentemente soluccedilotildees de aacutecidos ou bases fracas
Quando adicionados a uma soluccedilatildeo os indicadores de pH ligam-se aos iotildees H+ ou OH- A ligaccedilatildeo a
estes iotildees provoca uma alteraccedilatildeo da configuraccedilatildeo eletroacutenica dos indicadores e consequentemente
altera-lhes a cor[14]
Existem vaacuterios tipos de indicadores colorimeacutetricos que mudam de cor a diferentes intervalos de
pH (Figura 22)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 6
Figura 22 Indicadores colorimeacutetricos com a mudanccedila de cor representada nos diferentes valores de pH
Por exemplo entre o pH 31-44 o laranja de metilo (C14H14N3O3SNa) muda de vermelho para
amarelo e eacute usado como um indicador de aacutecidos enquanto que o azul de bromotimol (C27H28Br2O5S)
tem o seu ponto de viragem entre o pH de 60-76 mudando da cor amarela para azul sendo assim
usado como indicador de bases
A concentraccedilatildeo das formas dissociadas e natildeo dissociadas deve ser diferente pois o equiliacutebrio
deve estar deslocado para se perceber a alteraccedilatildeo de cor do indicador O ponto de viragem ocorre
quando a soluccedilatildeo entra em equiliacutebrio[14]
Estes indicadores colorimeacutetricos satildeo vendidos comercialmente sob a forma de soluccedilatildeo ou mais
comumente sob a forma de tiras de teste colorimeacutetricas
222 Transduccedilatildeo Eletroquiacutemica
O princiacutepio da medida do pH por potencial eleacutetrico consiste na determinaccedilatildeo da atividade ioacutenica
do hidrogeacutenio utilizando o eleacutetrodo padratildeo de hidrogeacutenio que consiste de uma haste de platina sobre
a qual o gaacutes hidrogeacutenio flui a uma pressatildeo de 101 kPa O eleacutetrodo de hidrogeacutenio no entanto natildeo eacute
bem-adaptado para uso universal especialmente em trabalho de campo ou em soluccedilotildees contendo
espeacutecies quiacutemicas que contaminam o eleacutetrodo Assim utiliza-se geralmente um eleacutetrodo de vidro Ao
mergulhar o eleacutetrodo na amostra a diferenccedila entre as atividades dos iotildees H+ da soluccedilatildeo interna e a
amostra gera o potencial eleacutetrico a ser medido[1415]
Os sensores de pH de vidro surgiram em 1909 baseado nas experiencias de Cremer (1906)
sobre membranas de vidro F Haber e Z Klemensiewicz que consistia num balatildeo de vidro cheio com
um eletroacutelito e por dentro um eleacutetrodo de referecircncia de prata|cloreto de prata Foi por volta dos anos
70 que comeccedilaram a haver medidores potenciomeacutetricos disponiacuteveis no mercado Em 1986 Ingold
substituiu o liacutequido eletroliacutetico do interior do tubo por um gel eletroliacutetico de modo a diminuir a perda
de eletroacutelito pelas junccedilotildees entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior mas tendo assim um
tempo de vida menor Com a criaccedilatildeo do eleacutetrodo de junccedilatildeo dupla introduziu-se uma cacircmara adicional
entre o eleacutetrodo de referecircncia e a soluccedilatildeo exterior de forma a evitar contaminaccedilotildees do eletroacutelito[13]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 7
Atualmente o eleacutetrodo de vidro (Figura 23) eacute um bolbo construiacutedo em vidro especial contendo
uma soluccedilatildeo de concentraccedilatildeo fixa (01 ou 1 M de HCl) ou uma soluccedilatildeo-tampatildeo de cloreto de prata
em contato com o eleacutetrodo de referecircncia interno (normalmente constituiacutedo de prata revestida com
cloreto de prata) que assegura um potencial constante na interface da superfiacutecie interna do sensor
com o eletroacutelito mantendo desta forma a atividade ai1 constante[14]
Figura 23 Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um sensor de pH de vidro Adaptado de Silberberg 2009[14]
O elemento sensor do eleacutetrodo situado na extremidade do bolbo eacute constituiacutedo por uma
membrana de vidro que hidratada forma uma camada de gel externa seletiva ao iatildeo H+ Essa
seleccedilatildeo eacute de fato uma troca de iotildees soacutedio (Na+) por iotildees H+ que formam uma camada sobre a
superfiacutecie do sensor Aleacutem disso ocorrem forccedilas de repulsatildeo de aniotildees por parte do silicato
negativamente carregado que estaacute fixo no elemento sensor Na camada externa do sensor ocorre a
geraccedilatildeo de um potencial que eacute funccedilatildeo da atividade do iatildeo H+ na soluccedilatildeo O potencial observado no
eleacutetrodo de vidro depende da atividade ou concentraccedilatildeo (admitindo-se γH = 1) dos iotildees H+ na soluccedilatildeo
Hs+ e no eletroacutelito He
+ O valor do potencial (E) pode ser calculado a partir da Equaccedilatildeo de Nernst
modificada obtendo-se a Equaccedilatildeo 23[1415]
119864 = 1198640 + 0059 log (119867119904
+
119867119890+) Equaccedilatildeo 23
como a atividade He+ eacute constante a Equaccedilatildeo 23 pode ser simplificada resultando na Equaccedilatildeo 24
119864 = 1198640 + 0059 log(119867119904+) Equaccedilatildeo 24
Aplicando-se o conceito de pH a Equaccedilatildeo 24 resulta na Equaccedilatildeo 25
119864 = 1198640 minus 0059 119901119867 Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 8
Na Tabela 21 encontram-se descritas as aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees dos sensores de pH de vidro
assim como outros sensores comuns ISFETs (do inglecircs Ion-Selective Field Effect Transistor)
sensores de antimoacutenio e tambeacutem os sensores oacuteticos
Tabela 21 Gama de aplicaccedilotildees e limitaccedilotildees de eleacutetrodos de pH mais comuns Adaptado de Kurzweil 2009[13]
Tipo de sensor de pH Gama de aplicaccedilotildees Caracteriacutesticas
Eleacutetrodo de vidro o Temperatura lt 80 degC ndash 130 degC
o Pressatildeo lt 60 bar
o Estabilidade plusmn 1 mVsemana
o Instabilidade mecacircnica da membrana de
vidro
o Necessaacuteria calibraccedilatildeo individual para cada
eleacutetrodo
o Destruiccedilatildeo por fluoretos e soluccedilotildees muito
hidroscoacutepicas
o Elevado custo de produccedilatildeo
ISFET o Temperatura lt 85 degC
o Pressatildeo lt 2 bar
o Formaccedilatildeo de filmes na superfiacutecie do sensor
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
Eleacutetrodo de antimoacutenio Ex soluccedilotildees causticas muito
concentradas e aacuteguas contaminadas
com fluoretos
o Possibilidade de adaptar agrave escala industrial
o Fraca estabilidade ao longo do tempo
o Fraca estabilidade do eleacutetrodo de referecircncia
Eleacutetrodos oacuteticos o Liacutequidos transparentes
o Pequenos e flexiacuteveis
o Natildeo eacute necessaacuterio elemento de
referecircncia
o Transmissatildeo de sinal a grandes
distacircncias
o Mudanccedila de transparecircncia da soluccedilatildeo
o Cuva de calibraccedilatildeo natildeo-linear
23 Sensores flexiacuteveis baseados em oacutexidos metaacutelicos
O desenvolvimento de sensores de pH alternativos tem um consideraacutevel interesse no sentido de
eliminar as limitaccedilotildees apresentadas pelos sensores convencionais aleacutem da possibilidade da sua
miniaturizaccedilatildeo e facilidade de integraccedilatildeo em vaacuterios sistemas para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica eou
ambiental
Foram jaacute publicados alguns artigos sobre sensores de pH flexiacuteveis em substratos de papel
membranas de nitreto de siliacutecio e substratos de poliamida sendo ainda necessaacuterio ultrapassar
algumas dificuldades como a adequaccedilatildeo a superfiacutecies natildeo planares resistecircncia agrave tensatildeo mecacircnica e
miniaturizaccedilatildeo[4]
Os eleacutetrodos aacute base de oacutexidos metaacutelicos oferecem vaacuterias vantagens como o baixo-custo faacutecil
miniaturizaccedilatildeo alta sensibilidade e abundacircncia Para aleacutem disso a monitorizaccedilatildeo do pH pode ser
feita atraveacutes do meacutetodo potenciomeacutetrico meacutetodo este bastante comum simples e a mais portaacutetil das
teacutecnicas eletroquiacutemicas[4616]
Oacutexidos metaacutelicos como o dioacutexido de titacircnio (TiO2) pentoacutexido de tacircntalo (Ta2O5) trioacutexido de
tungsteacutenio (WO3) dioacutexido de manganecircs (MnO2) dioacutexido de oacutesmio (OsO2) entre outros foram jaacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 9
descritos na literatura como materiais para sensores de pH A maioria dos oacutexidos metaacutelicos satildeo
sensiacuteveis a variaccedilotildees de pH na gama de 2 a 11 apesar de mostrarem uma histerese acentuada isto
eacute o potencial do eleacutetrodo sofre uma alteraccedilatildeo significativa se a soluccedilatildeo mudar do pH de 2 para 11 e
de volta ao pH 2 novamente[13]
Comparando com os eleacutetrodos bulk os eleacutetrodos com a presenccedila de nanopartiacuteculas (NPs) agrave
superfiacutecie permitem cineacuteticas mais raacutepidas de transferecircncia eletroacutenica aumentando a aacuterea eletroativa
da superfiacutecie do eleacutetrodo o que diminui a sobretensatildeo fazendo com que as reaccedilotildees redox se tornem
cineticamente fiaacuteveis As nanoestruturas de oacutexidos metaacutelicos apresentam uma estrutura robusta
apresentando outras vaacuterias caracteriacutesticas desde o isolamento agrave condutividade eleacutetrica e da ineacutercia a
altamente cataliacuteticas A aplicaccedilatildeo de oacutexidos metaacutelicos em sensores eacute uma praacutetica menos usual
comparando com outras nanoestruturas mas bastante promissora Por exemplo NPs de oacutexido de
iriacutedio foram usadas como camada ativa de um sensor de pH integrado com outros sensores
eletroquiacutemicos[17]
231 Trioacutexido de tungsteacutenio
O primeiro artigo sobre um sensor de pH com WO3 foi publicado em 1987 por Wrighton et al
onde um transiacutestor microeletroquiacutemico conseguia alternar a sua forma de funcionamento quer
eleacutetrica quer quiacutemica alternando a tensatildeo ou o pH da soluccedilatildeo respetivamente Mais recentemente
foi desenvolvido um sensor de pH flexiacutevel num substrato de poli-imida com eleacutetrodos de ouro onde o
eleacutetrodo de trabalho foi funcionalizado com WO3NPrsquos depositadas por eletrodeposiccedilatildeo (Figura 24 ndash
d)[416] Contudo o uso de WO3 em grandes aacutereas superficiais foi usado principalmente para fazer a
deteccedilatildeo de gases natildeo tendo sido ainda muito explorado a sua utilizaccedilatildeo em sensores de pH[4]
O WO3 eacute um material inorgacircnico semicondutor com um baixo custo de produccedilatildeo capaz de
mudanccedilas reversiacuteveis de condutividade com sensibilidade e seletividade elevada e biocompatiacutevel [18ndash
21] Devido a estas propriedades o WO3 pode ser utilizado em imensas aplicaccedilotildees como material
cromogeacuteneo em sensores ou como catalisador (Figura 24)
Figura 24 Exemplos de aplicaccedilotildees do WO3 desenvolvidas no CENIMAT (a) Janela eletrocroacutemica (b) Display
electrocroacutemico num sensor de gaacutes (c) Sensor colorimeacutetrico (d) Sensor de pH
Os oacutexidos metaacutelicos constituiacutedos por metais de transiccedilatildeo especialmente os metais com
configuraccedilatildeo d0 e d10 sem terem a orbital d semipreenchida possuem caracteriacutesticas interessantes e
uma boa estabilidade o que os torna aptos a serem utilizados em sensores O WO3 eacute um destes
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 10
oacutexidos metaacutelicos com uma configuraccedilatildeo d0 possuindo um hiato oacutetico que pode variar entre 26 e
325 eV consoante a estrutura cristalina do material O hiato oacutetico deste material corresponde agrave
diferenccedila entre os niacuteveis energeacuteticos da banda de valecircncia formada pelas orbitais O2p totalmente
preenchidas e da banda de conduccedilatildeo formadas pelas orbitais W5d vazias[22] (Figura 25)
Figura 25 Representaccedilatildeo esquemaacutetica da estrutura de bandas do WO3 onde se vecirc as orbitais O2p totalmente
preenchidas e as orbitais W5d vazias Os nuacutemeros representam o nuacutemero de eletrotildees maacuteximo em cada niacutevel
energeacutetico Adaptado de Niklasson 2007[23]
Este material eacute constituiacutedo por blocos de WO6 octaeacutedricos onde os iotildees de tungsteacutenio (W6+)
ocupam os veacutertices de uma ceacutelula unitaacuteria primitiva e os iotildees de oxigeacutenio ficam na bissetriz das
arestas da ceacutelula unitaacuteria formando assim uma estrutura de perovskite com defeito O aacutetomo central
da ceacutelula unitaacuteria estaacute ausente permitindo o alojamento de iotildees[2224] (Figura 26)
Figura 26 Ceacutelula unitaacuteria da estrutura de perovskite O aacutetomo C representa a lacuna da estrutura com defeito
Adaptado de Marques 2014[22]
Apesar de ainda natildeo estar totalmente compreendido o mecanismo de deteccedilatildeo do WO3 crecirc-se
que seja dependente de uma reduccedilatildeo envolvendo uma injeccedilatildeo dupla de catiotildees e eletrotildees na sua
estrutura formando assim um bronze de oacutexido tungsteacutenio que tem uma condutividade maior que o
proacuteprio oacutexido de tungsteacutenio (Equaccedilatildeo 26)[421]
1198821198743 + 119909119890minus + 119909119867+ harr 1198671198831198821198743 Equaccedilatildeo 26
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 11
Onde x corresponde ao nuacutemero de prototildees (H+) e eletrotildees (e-) envolvidos na reaccedilatildeo e HxWO3
representa o bronze de oacutexido de tungsteacutenio De acordo com a equaccedilatildeo a dependecircncia do pH no
potencial dos eleacutetrodos de WO3 estaacute relacionada com a intercalaccedilatildeo e desintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ na
camada de oacutexido A faacutecil intercalaccedilatildeo de prototildees na rede cristalina da estrutura do WO3 soacute eacute possiacutevel
devido aacute existecircncia de uma relaccedilatildeo estequiomeacutetrica e fase cristalina quando estes estatildeo intercalados
na sua estrutura[4] Espera-se que com a integraccedilatildeo de WO3NPs na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
nos sensores de pH iraacute melhorar o seu desempenho devido agraves suas caracteriacutesticas e ao seu
processo de reduccedilatildeo reversiacutevel
232 Produccedilatildeo dos sensores com nanopartiacuteculas
Existem vaacuterias teacutecnicas para depositar soluccedilotildees coloidais que variam entre os meacutetodos fiacutesicos e
quiacutemicos O tamanho da partiacutecula e a sua distribuiccedilatildeo satildeo das caracteriacutesticas mais importantes das
NPs no seu desempenho como sensores eletroquiacutemicos pois dependendo do tamanho e distacircncia
entre partiacuteculas adjacentes o grau de sobreposiccedilatildeo da camada de difusatildeo (natureza do sinal) pode
ser manipulado Uma grande dificuldade na construccedilatildeo de sensores eletroquiacutemicos eacute obter uma
camada de NPs definida e ordenada A superfiacutecie do eleacutetrodo pode ser modificada com NPs
simplesmente adicionando uma gota da dispersatildeo de NPs mas estatildeo tambeacutem a ser estudados e
desenvolvidos outros meacutetodos como a evaporaccedilatildeo de solventes crescimento de redes de sol-gel
com NPs modificadas na superfiacutecie do proacuteprio eleacutetrodo ou por eletroagregaccedilatildeo Como alternativa eacute
tambeacutem possiacutevel misturar as NPs com materiais condutores como uma soluccedilatildeo polimeacuterica condutora
de forma a funcionalizar o eleacutetrodo num soacute passo[5]
As NPs satildeo bastante usadas em aplicaccedilotildees eletroquiacutemicas eletroanaliacuteticas e bioeletroquiacutemicas
Aquilo que faz das NPs uacutenicas satildeo as suas propriedades mecacircnicas eleacutetricas oacuteticas cataliacuteticas e
magneacuteticas assim como a elevada razatildeo de aacuterea superficial por massa Com o fabrico destes
sensores diminui-se entatildeo o custo diminuindo-se a necessidade de materiais caros e com uma
menor geraccedilatildeo de resiacuteduos Isto eacute especialmente importante para a substituiccedilatildeo de eleacutetrodos de ouro
ou platina jaacute que materiais menos dispendiosos como por exemplo carbono com NPs proporcionam
uma maior aacuterea superficial[5] Neste trabalho usou-se uma teacutecnica de deposiccedilatildeo simples (drop
casting) e de baixo-custo para a produccedilatildeo da camada sensiacutevel uma vez que se pretendia testar a
produccedilatildeo e o desenho do sensor de uma forma raacutepida e eficaz
24 Grafeno
O carbono existe em diversas formas desde a grafite presente nos laacutepis ateacute aos mais caros
diamantes do mundo Em 1980 apenas eram conhecidas trecircs formas baacutesicas de carbono
nomeadamente o diamante a grafite e o carbono amorfo Depois foram descobertos os fulerenos e
os nanotubos de carbono (NTC) e em 2004 foi isolado pela primeira vez em laboratoacuterio o grafeno
pelos investigadores Andre Geim e Konstantin Novoselov valendo-lhes o Preacutemio Nobel da Fiacutesica em
2010 por experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno[2526] (Figura 27)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 12
Figura 27 Laureados com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 pelas suas experiecircncias inovadoras em relaccedilatildeo ao grafeno
Retirado de Berger 2014[25]
O grafeno pode ser definido como uma uacutenica camada atoacutemica de grafite consistindo numa folha
bidimensional de aacutetomos de carbono com ligaccedilotildees do tipo sp2 numa configuraccedilatildeo hexagonal[2527ndash29]
Todas as formas existentes de carbono consistem basicamente em folhas de grafeno ou ligadas
umas por cimas das outras formando a grafite ou enroladas ou dobradas sobre si mesmas
formando ou nanotubos de carbono ou fulerenos respetivamente[30] (Figura 28)
Figura 28 Estrutura atoacutemica do grafeno e dos materiais agrave base do grafeno Adaptado de Zhang 2012[30]
Na uacuteltima deacutecada os nanomateriais agrave base de grafeno tecircm sido bastante estudados devido agraves
suas propriedades fiacutesico-quiacutemicas uacutenicas[27283132]
o Elevada aacuterea superficial (2630 m2g)
o Hiato oacutetico ajustaacutevel
o Elevada forccedila mecacircnica (200 vezes superior ao accedilo)
o Elevada elasticidade
o Elevada condutividade teacutermica
o Elevada condutividade eleacutetrica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 13
Estas propriedades tornam o grafeno num excelente candidato para ser utilizado em inuacutemeras
aplicaccedilotildees sendo assim crucial o desenvolvimento de processos de produccedilatildeo de grafeno otimizados
e de baixo-custo A produccedilatildeo de grafeno intensificou-se bastante nos uacuteltimos anos sendo a Aacutesia o
continente com maior produccedilatildeo de grafeno por ano (Figura 29-a) Analogamente a maior
percentagem de patentes relacionadas com o grafeno concentram-se maioritariamente no continente
asiaacutetico com maior incidecircncia na China (Figura 29-b) A maior percentagem de patentes relaciona-se
com processos de produccedilatildeo seguida de aplicaccedilotildees relacionadas com o armazenamento de
energia[33]
Figura 29 Produccedilatildeo e aplicaccedilatildeo do grafeno (a) Principais produtores de grafeno nos anos de 2012 e 2015 (b)
Distribuiccedilatildeo de volume de patentes que envolvem grafeno no ano 2015 Adaptado de Peplow 2015[33]
A qualidade do grafeno produzido eacute muito importante uma vez que a presenccedila de defeitos
impurezas ou desordens estruturais podem ter um efeito adverso nas propriedades oacuteticas e
eletroacutenicas do material Na Tabela 22 encontram-se reunidos alguns meacutetodos de produccedilatildeo do
grafeno e suas caracteriacutesticas assim como algumas aplicaccedilotildees do grafeno produzido pelos diversos
meacutetodos
Tabela 22 Meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno morfologia caracteriacutesticas e aplicaccedilotildees do grafeno obtido Adaptado de
Berger 2014[25]
Meacutetodos de
produccedilatildeo
Morfologia (escala) Caracteriacutesticas Aplicaccedilotildees
Esfoliaccedilatildeo
mecacircnica
de grafite
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Difiacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Baixo custo
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
o Compoacutesitos
Esfoliaccedilatildeo
em fase liacutequida
Nanofolhas
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo rendimento
o Qualidade moderada
o Baixo custo
o Conteacutem impurezas
o Enchimentos
polimeacutericos
o Eleacutetrodos transparentes
o Sensores
Deposiccedilatildeo
quiacutemica em fase
Filmes finos
(lt 75 microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Qualidade elevada
o Ecratildes taacutecteis
o Janelas inteligentes
o LCDs e OLEDs flexiacuteveis
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 14
de vapor o Elevado custo
o Temperaturas elevadas (gt
1000 degC)
o Ceacutelulas solares
Abertura de
nanotubos de
carbono
Nanofitas
(poucos microm)
o Possibilidade de adaptar
agrave escala industrial
o Elevado rendimento
o Qualidade elevada
o Pode ser de baixo custo
o Transiacutestores
o Compoacutesitos
Crescimento
epitaxial em
carbeto de siliacutecio
(SiC)
Filmes finos
(gt 50 microm)
o Baixo rendimento
o Qualidade elevada
o Elevado custo (substrato
muito dispendioso)
o Temperaturas elevadas
(1500 degC)
o Transiacutestores
o Circuitos
o Memoacuterias
o Semicondutores
Reduccedilatildeo quiacutemica
de oacutexido de grafite
Nanoflocos
(nm a poucos microm)
o Faacutecil de adaptar agrave escala
industrial
o Baixo custo
o Baixa pureza
o Elevada densidade de
defeitos
o Tintas condutoras
o Enchimentos
polimeacutericos
o Supercondensadores
o Sensores
Entre os meacutetodos mais usados encontram-se a esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite o crescimento
epitaxial em SiC e tambeacutem deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor especialmente em substratos de
cobre
A teacutecnica de esfoliaccedilatildeo mecacircnica foi introduzida e elaborada maioritariamente pelos laureados
com o Preacutemio Nobel da Fiacutesica 2010 Geim e Novoselov Este meacutetodo envolve descamar a grafite
usando uma simples fita-cola ateacute ao seu componente primaacuterio o grafeno (Figura 210 ndash a) Apesar
de este meacutetodo permitir a produccedilatildeo de grafeno de elevada qualidade natildeo eacute adequado para a
produccedilatildeo de grafeno em larga escala[26]
Um possiacutevel meacutetodo alternativo consiste em crescer em superfiacutecies cristalinas usando materiais
precursores Este meacutetodo envolve a exposiccedilatildeo de um cristal hexagonal de SiC crescido
epitaxialmente a temperaturas elevadas (1500 degC) para evaporar os aacutetomos de Si ligados na
superfiacutecie do cristal Os restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie rearranjam-se formando uma
camada de grafeno (Figura 210 ndash b)[34]
A deposiccedilatildeo quiacutemica em fase de vapor em substratos de cobre usa normalmente metano e
hidrogeacutenio como gases precursores a temperaturas agrave volta 1000 degC[30]
Figura 210 Tipos de meacutetodos de produccedilatildeo de grafeno (a) Esfoliaccedilatildeo mecacircnica de grafite 1 e 2 ndash descamaccedilatildeo da
grafite 3 e 4 ndash transferecircncia para o substrato pretendido (b) Crescimento epitaxial em substratos de SiC 1 e 2 ndash
aquecimento do substrato a 1500 degC e evaporaccedilatildeo dos aacutetomos de Si 3 ndash restantes aacutetomos de carbono na superfiacutecie do
substrato rearranjados na forma de folhas de grafeno Adaptado de Norimatsu 2014 e Novoselov 2012[3435]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 15
241 Grafeno poroso
Desde a descoberta do grafeno tecircm sido feitos muitos esforccedilos no sentido de modificar a
estrutura do grafeno de forma a poder ser aplicado em imensas aplicaccedilotildees desde a nanoeletroacutenica agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN[36] Estes esforccedilos levaram agrave produccedilatildeo de diferentes tipos de materiais agrave base
de grafeno que possuem propriedades diferentes das do grafeno puro
Recentemente o grafeno poroso (GP) tem atraiacutedo o interesse de muitos investigadores Este
material pode ser descrito como uma folha de grafeno com alguns espaccedilos vazios de aacutetomos de
carbono (buracosporos) no mesmo plano Genericamente os materiais porosos contecircm buracos
distribuiacutedos de uma aleatoacuteria ou ordenada que podem ter diacircmetros variados Os poros podem ser
classificados como microporos (diacircmetros abaixo de 2 nm) mesoporos (diacircmetros entre 2 a 50 nm) e
macroporos (diacircmetros abaixo de 50 nm)
O GP pode melhorar o desempenho em algumas aplicaccedilotildees do grafeno puro que necessitam das
propriedades quiacutemicas e estruturais do grafeno puro mas tambeacutem da presenccedila de poros Assim
pode ser utilizado em diversas aplicaccedilotildees desde a separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases ateacute agrave
sequenciaccedilatildeo de ADN
o Separaccedilatildeo e purificaccedilatildeo de gases
Quer seja na induacutestria ou na investigaccedilatildeo cientiacutefica existe uma grande procura de gases puros
como o heacutelio e o hidrogeacutenio Em comparaccedilatildeo com os meacutetodos tradicionais de separaccedilatildeo e
purificaccedilatildeo de gases como a destilaccedilatildeo criogeacutenica ou adsorccedilatildeo gasosa a separaccedilatildeo de gases por
membrana tem um baixo custo energeacutetico ocupa menos espaccedilo e eacute menos complexa Foram jaacute
desenvolvidos vaacuterios tipos de membranas metaacutelicas e polimeacutericas com espessuras que podem ir
dos 10 aos 103 nm Visto que a permeabilidade da membrana eacute inversamente proporcional agrave sua
espessura este tipo de membranas eacute inferior agraves membranas de grafeno que possui apenas a
espessura de um aacutetomo[3637]
No entanto as membranas feitas agrave base de grafeno puro satildeo impermeaacuteveis a gases devido agrave
elevada densidade eletroacutenica dos aneacuteis aromaacuteticos Assim a presenccedila de poros no material eacute
necessaacuteria para tornar as membranas permeaacuteveis o que tem tornado o GP um material bastante
estudado para o uso em membranas de separaccedilatildeo gasosas[3637]
o Sequenciaccedilatildeo de ADN
Nos uacuteltimos anos tecircm sido desenvolvidos materiais nanoporosos com o objetivo de detetar o
fluxo de sinais eleacutetricos durante a translocaccedilatildeo de moleacuteculas de ADN identificar os quatro tipos de
nucleoacutetidos permitindo assim fazer a sequenciaccedilatildeo de ADN[3637]
Alguns exemplos de materiais nanoporosos produzidos com este objetivo satildeo SiO2 (dioacutexido de
siliacutecio) Al2O3 (trioacutexido de alumiacutenio) e Si3N4 (nitreto de siliacutecio) Contudo estes materiais natildeo permitem
a sequenciaccedilatildeo de ADN com elevada resoluccedilatildeo devido agrave sua elevada espessura tornando difiacutecil
distinguir os diferentes sinais eleacutetricos de cada nucleoacutetido Para que seja apenas um nucleoacutetido em
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 16
contato com os eleacutetrodos quando o ADN alvo passa pelo poro a espessura oacutetima da membrana
deve ser do tamanho de um nucleoacutetido que tem aproximadamente 1 nm [3637] Por esta razatildeo o GP
foi proposto como um material ideal para a sequenciaccedilatildeo de ADN tendo jaacute sido usado por dois
grupos de investigaccedilatildeo diferentes[3839] na translocaccedilatildeo de uma uacutenica moleacutecula de ADN (Figura 211)
Figura 211 Dispositivo com membrana de GP para a sequenciaccedilatildeo de ADN Eacute aplicada uma tensatildeo de polarizaccedilatildeo VB
entre os reservatoacuterios para conduzir o ADN pelo nanoporo Retirado de Xu 2012[37]
242 Teacutecnicas de produccedilatildeo
Apesar dos grandes avanccedilos ateacute agrave data os meacutetodos atuais de produccedilatildeo de grafeno poroso
requerem processos a elevadas temperaturas ou siacutenteses quiacutemicas com muacuteltiplos passos limitando
assim o seu potencial para ser utilizado nas diversas aplicaccedilotildees
A modificaccedilatildeo de folhas de grafeno por exposiccedilatildeo a um feixe de eletrotildees fotoreaccedilatildeo de oacutexido de
grafeno sob radiaccedilatildeo ultravioleta ou gaseificaccedilatildeo de carvatildeo de folhas de oacutexido de grafeno satildeo alguns
dos meacutetodos jaacute referenciados na literatura [40ndash44]
Mais recentemente Lin J et al[45] reportaram um meacutetodo de produccedilatildeo de GP atraveacutes de induccedilatildeo
a laser em substratos de poli-imida Este meacutetodo usa a radiaccedilatildeo do laser para transformar as ligaccedilotildees
sp3 que ligam os aacutetomos de carbono presentes no substrato de poli-imida em ligaccedilatildeo sp2 produzindo
assim filmes de GP (Figura 212) A possibilidade de padronizaccedilatildeo do material com elevada
resoluccedilatildeo a faacutecil adaptaccedilatildeo agrave escala industrial o baixo custo energeacutetico e a rapidez de produccedilatildeo
constituem as principais vantagens deste meacutetodo
Figura 212 Teacutecnica de induccedilatildeo a laser de grafeno num substrato de poli-imida A ampliaccedilatildeo mostra uma imagem
microscoacutepica da morfologia do GP induzido pelo laser (GIL ndash grafeno induzido por laser) Adaptado de Lin 2014 [45]
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 17
Neste trabalho o grafeno foi utilizado como material condutor devido agraves suas propriedades
extraordinaacuterias referidas anteriormente Os eleacutetrodos do sensor de pH foram padronizados num
substrato de poli-imida atraveacutes da teacutecnica de induccedilatildeo a laser produzindo assim um sensor de baixo
custo raacutepido e biocompatiacutevel
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 18
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 19
3 TEacuteCNICAS DE CARACTERIZACcedilAtildeO
As teacutecnicas de caracterizaccedilatildeo utilizadas no decorrer deste trabalho foram selecionadas com
intuito de obter informaccedilotildees sobre a estrutura e morfologia das amostras de WO3NPs e do grafeno
poroso produzido Os sensores de pH foram caracterizados eletroquimicamente
31 Difraccedilatildeo de raios-X
A difraccedilatildeo de raios-X (DRX) eacute uma teacutecnica utilizada para caracterizar estruturalmente um
material com base na interaccedilatildeo entre um feixe de raios-X e a geometria cristalina do material Permite
identificar diferentes estruturas cristalinas presentes num material e analisar as suas propriedades
estruturais
Um cristal eacute um material soacutelido constituiacutedo por planos de aacutetomos organizados que formam um
padratildeo tridimensional bem definido a ceacutelula unitaacuteria Eacute um material que apresenta um arranjo
perioacutedico praticamente perfeito Um material amorfo eacute por oposiccedilatildeo um material que natildeo apresenta
qualquer periodicidade no arranjo atoacutemico Intermediamente pode-se classificar um material como
policristalino quando eacute composto por diversos cristais microscoacutepios denominados cristalitos ou gratildeos
Um feixe de raios-X tal como a luz visiacutevel pode ser descrito como uma onda eletromagneacutetica A
dispersatildeo ocorre quando uma onda em movimento eacute forccedilada a desviar a sua trajetoacuteria devido a um
conjunto de objetos dispersantes A difraccedilatildeo eacute essencialmente um fenoacutemeno de dispersatildeo que
envolve a cooperaccedilatildeo de um conjunto de aacutetomos Numa estrutura cristalina os aacutetomos encontram-se
periodicamente organizados pelo que os raios dispersados por este tipo de estrutura vatildeo ter relaccedilotildees
de fase bem definidas Estas relaccedilotildees satildeo de tal modo que geram interferecircncia destrutiva na maior
parte das direccedilotildees da dispersatildeo Em raras exceccedilotildees a interferecircncia eacute construtiva gerando raios
difratados A difraccedilatildeo em geral ocorre apenas quando o comprimento de onda do feixe eacute da mesma
ordem de grandeza da distacircncia entre os centros dispersantes Assim considerando que os cristais
satildeo estruturas atoacutemicas periodicamente organizadas e que os seus aacutetomos agem como centros
dispersantes um cristal cuja distacircncia interatoacutemica eacute da mesma ordem de grandeza do comprimento
de onda dos raios-X que nele incidem vai difratar o feixe
A interferecircncia construtiva dos raios-X dispersados pelo cristal forma um pico de difraccedilatildeo A Lei
de Bragg (Equaccedilatildeo 31) descreve o fenoacutemeno de difraccedilatildeo em termos da difraccedilatildeo dos diferentes
planos cristalinos e especifica as condiccedilotildees de interferecircncia construtiva para planos espaccedilados de
uma distacircncia dhkl
119899120582 = 2119889ℎ119896119897119904119890119899120579 Equaccedilatildeo 31
onde λ eacute o comprimento de onda do feixe incidente θ denominado acircngulo de Bragg eacute o acircngulo
formado entre os planos atoacutemicos e o feixe de raios-X incidente (e difractado) e n eacute o nuacutemero de
reflexatildeo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 20
Experimentalmente a Lei de Bragg pode ser utilizada de dois modos diferentes Utilizando um
feixe de raios-X de comprimento de onda conhecido obtecircm-se o acircngulo de Bragg a partir do qual eacute
possiacutevel calcular a distacircncia interplanar Esta eacute a anaacutelise estrutural na qual se baseia o
funcionamento do DRX
Foi utilizado o equipamento XPert Pro da PANalytical (Figura 31) com uma ampola de cobre na
configuraccedilatildeo de Bragg-Brentano representado na Figura 22 O padratildeo de difraccedilatildeo foi adquirido para
acircngulos 2θ entre 10ordm e 70ordm com um passo de 002ordm em 2θ
Figura 31 Equipamento utilizado na Difraccedilatildeo de raios-X
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 21
32 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A microscopia eletrocircnica de varrimento (SEM do inglecircs Scanning Electron Microscopy) eacute um
importante e versaacutetil meacutetodo de caracterizaccedilatildeo da morfologia de materiais e amostras bioloacutegicas
O princiacutepio fiacutesico de funcionamento da SEM consiste na emissatildeo de um feixe de eletrotildees
(eleacutetrodo negativo) por um filamento capilar de tungstecircnio mediante a aplicaccedilatildeo de uma diferenccedila de
potencial que pode variar de 05 a 30 kV que satildeo acelerados em direccedilatildeo ao eleacutetrodo positivo A
correccedilatildeo da direccedilatildeo do feixe nesse percurso eacute realizada por lentes condensadoras que alinham o
feixe em direccedilatildeo agrave abertura da lente objetiva A objetiva ajusta o foco do feixe antes dos eletrotildees
atingirem a amostra que seraacute analisada A imagem eacute assim obtida pelo varrimento do feixe eletroacutenico
incidente sobre a superfiacutecie da amostra Depois da amplificaccedilatildeo e processamento apropriados um
detetor de eletrotildees eacute responsaacutevel pela geraccedilatildeo da imagem mostrando-a no visor A SEM produz
imagens de alta resoluccedilatildeo o que garante obter alta ampliaccedilatildeo de detalhes (ateacute 300000 vezes) sem
perda de nitidez Com a SEM eacute possiacutevel obter imagens tanto pelo padratildeo de difraccedilatildeo de eletrotildees
secundaacuterios (emitidos pelos aacutetomos excitados pelo feixe de eletrotildees) como de eletrotildees
retrodifundidos Quando eacute utilizado o padratildeo de eletrotildees secundaacuterios obtecircm-se imagens da
topografia da superfiacutecie enquantoque o padratildeo de eletrotildees retrodifundidos proporciona imagens com
diferenccedila de contraste de acordo com o elemento que estaacute a ser analisado por exemplo elementos
pesados como o ferro aparecem mais claros e elementos leves como o carbono aparecem mais
escuros
Neste trabalho a SEM foi utilizada para analisar a morfologia das trecircs estruturas cristalograacuteficas
das WO3NPs sintetizadas e a morfologia do grafeno poroso As anaacutelises foram realizadas num
microscoacutepio eletrocircnico de varrimento Carl Zeiss AURIGA Crossbeam SEM-FIB (Figura 32)
Figura 32 (a) Equipamento utilizado na Microscopia eletroacutenica de varrimento (b) Respresentaccedilatildeo esquemaacutetica de um
equipamento de SEM
(a) (b)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 22
321 Feixe de iotildees focalizados
Esta teacutecnica que utiliza um feixe de iotildees focalizados (FIB do inglecircs Focused Ion Beam) eacute um
equipamento bastante parecido ao SEM mas possui um feixe de iotildees em vez de um feixe de eletrotildees
O FIB pode modificar diretamente a superfiacutecie da amostra atraveacutes de um processo de sputtering com
uma precisatildeo nanomeacutetrica Atraveacutes do controlo da energia e intensidade do feixe de iotildees eacute possiacutevel
remover o material desejado numa aacuterea bem definida
Esta teacutecnica foi utilizada para observar as diferentes camadas dos eleacutetrodos de trabalho de ouro
e de GP com a camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 23
33 Espetroscopia de Raman
O efeito de Raman ocorre devido agrave interaccedilatildeo de fototildees com as vibraccedilotildees das ligaccedilotildees quiacutemicas
Estes comprimentos de onda estatildeo na regiatildeo do infravermelho mas a fonte de excitaccedilatildeo para a
observaccedilatildeo do efeito de Raman estaacute muitas vezes na regiatildeo do visiacutevel A maior parte da luz incidente
passa atraveacutes do sistema sem variaccedilotildees de energia do fotatildeo (efeito de Rayleigh) se haacute troca de
energia com o sistema observa-se o efeito de Raman (Figura 33)[46]
Figura 33 Espetroscopia de Raman ndash emissatildeo de radiaccedilatildeo (a) Efeito de Raman normal (b) Efeito de Raman de
ressonacircncia Adaptado de Kurouski et al 2015[46]
Os fototildees excitam as moleacuteculas para um estado eletroacutenico virtual (Figura 33 ndash a) a partir do
qual ocorre a emissatildeo a emissatildeo para o estado vibracional fundamental eacute a dispersatildeo de Rayleigh
Se os fototildees tecircm uma energia muito elevada entatildeo o estado virtual estaacute dentro dos niacuteveis de
vibraccedilatildeo do estado eletroacutenico excitado Neste caso haacute uma interaccedilatildeo muito maior entre a radiaccedilatildeo e
as moleacuteculas e um aumento na intensidade do efeito de Raman por um fator de 104 - 106 ndash o efeito
de Raman de ressonacircncia (Figura 33 ndash b)[46]
O efeito de Raman de ressonacircncia tem sido aplicado a ceacutelulas eletroquiacutemicas geralmente com
excitaccedilatildeo a laser Como eacute possiacutevel construir ceacutelulas que satildeo transparentes ao infravermelho natildeo eacute
necessaacuterio usar eleacutetrodos transparentes Os resultados de Raman satildeo uacuteteis para o diagnoacutestico
mecaniacutestico e para investigar as propriedades vibracionais e eletroacutenicas das espeacutecies em estudo
Uma teacutecnica relacionada baseia-se no fato de os sinais das espeacutecies adsorvidas serem muito
maiores do que os das mesmas espeacutecies em soluccedilatildeo (espectroscopia de Raman com efeito de
intensificaccedilatildeo de superfiacutecie SERS) O fenoacutemeno foi primeiro notado num estudo da adsorccedilatildeo da
piridina em eleacutetrodos de prata e tem sido estendido agrave investigaccedilatildeo da adsorccedilatildeo de muitas espeacutecies
tais como por exemplo as porfirinas
Neste trabalho a espetroscopia de Raman foi usada para analisar o grafeno poroso obtido
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 24
34 Acircngulos de contacto
Com o crescente aumento do uso de agentes de ativaccedilatildeo de superfiacutecie revestimentos protetores
e especialmente com a evoluccedilatildeo da tecnologia de impressatildeo uma atenccedilatildeo renovada tem sido focada
nos fenoacutemenos de wettability ou seja a capacidade de um material se molhar quando em contacto
com um liacutequido Correntemente o meacutetodo mais usado na determinaccedilatildeo desta propriedade eacute o acircngulo
de contacto
O termo acircngulo de contacto refere-se ao acircngulo formado na interface de um sistema constituiacutedo
por materiais com estados fiacutesicos distintos O sistema de fases mais comum eacute gaacutes-soacutelido-liacutequido na
qual se assume que a superfiacutecie de interaccedilatildeo do soacutelido eacute plana O acircngulo de contacto eacute definido
como a condiccedilatildeo de fronteira na superfiacutecie soacutelida que incorpora as propriedades fiacutesicas que
governam a forma da interface liacutequido-vapor
Num sistema ideal uma superfiacutecie soacutelida homogeacutenea a formulaccedilatildeo claacutessica do balanccedilo de
forccedilas na linha de contacto prevecirc o acircngulo de contacto em termos da densidade energeacutetica das trecircs
interfaces do sistema Este balanccedilo eacute descrito pela equaccedilatildeo de Young (Equaccedilatildeo 32) que pode ser
derivada minimizando a energia mecacircnica do sistema para variaccedilotildees diferenciais das aacutereas de
contacto das fases soacutelida liquida e gasosa
cos(120579119888) = γSGminus γSL
γLG Equaccedilatildeo 32
onde θC representa o acircngulo de contacto γSG γSL e γLG representam as tensotildees superficiais das
interfaces soacutelido-gaacutes soacutelido-liacutequido e liacutequido-gaacutes respetivamente Atraveacutes da equaccedilatildeo de Young eacute
possiacutevel verificar que existe uma relaccedilatildeo estreita entre o acircngulo de contacto e a tensatildeo superficial
Deste modo para medir do acircngulo de contacto pelo menos uma das trecircs tensotildees superficiais
presentes na equaccedilatildeo tem de ser conhecida (Figura 34)
Figura 34 Esquema ilustrativo do comportamento de uma gota numa superfiacutecie
A energia de superfiacutecie das fibras de celulose e do papel eacute um paracircmetro que afeta o seu
desempenho em termos de penetraccedilatildeo de liacutequidos e adesatildeo a outros materiais polimeacutericos
Os acircngulos de contato foram medidos com o equipamento OCA 20 da Data Physics
representado na Figura 35
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 25
Figura 35 Equipamento utilizado na mediccedilatildeo dos acircngulos de contato
Com este equipamento eacute possiacutevel visualizar em tempo real a deposiccedilatildeo do liacutequido sobre o
substrato permitindo a mediccedilatildeo do acircngulo de contacto no momento exato em que o liacutequido entra em
contacto com o substrato O software do equipamento calcula o acircngulo de contacto de acordo com a
equaccedilatildeo de Young apresentada anteriormente
Se o acircngulo de contacto for superior a 90ordm o substrato eacute considerado hidrofoacutebico pois natildeo se
verifica uma boa adesatildeo entre as superfiacutecies dos materiais em contacto Caso o acircngulo encontrado
seja inferior a 90ordm o substrato eacute hidroacutefilo pois a adesatildeo entre os materiais eacute favorecida
Esta teacutecnica foi utilizada na caracterizaccedilatildeo das trecircs amostras de WO3NPs nos diferentes
eleacutetrodos
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 26
35 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto (PCA) eacute a diferenccedila entre dois terminais de um dispositivo quando
este se encontra desligado de qualquer circuito isto eacute sem nenhuma carga aplicada Para aleacutem
disso natildeo haacute qualquer corrente eleacutetrica externa a fluir entre os terminais Isto quer dizer que o
potencial a ser medido corresponde ao potencial total do dispositivo
Nesta teacutecnica o potencial medido eacute a diferenccedila entre o potencial do eleacutetrodo de trabalho e o
eleacutetrodo de referecircncia Com esta teacutecnica eacute possiacutevel determinar a reduccedilatildeo de uma espeacutecie atraveacutes da
Equaccedilatildeo 25
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 27
4 DESCRICcedilAtildeO EXPERIMENTAL
Neste capiacutetulo eacute feita a descriccedilatildeo experimental do trabalho realizado o que englobou a siacutentese
das WO3NPs que foram utilizadas como camada ativa nos sensores de pH produzidos com eleacutetrodos
de ouro e de grafeno e a caraterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos mesmos
41 Siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Neste trabalho foram sintetizadas WO3NPs com duas estruturas cristalograacuteficas diferentes por
um meacutetodo hidrotermal Para tal utilizou-se como precursor o Na2WO42H2O obtido comercialmente
e foram usados dois sais diferentes como agentes direcionais de estrutura (ADE) NaCl e Na2SO4
Para cada ADE foram preparadas soluccedilotildees aquosas e HCl 3 M para um valor de pH final proacuteximo de
18 com um volume de soluccedilatildeo final de 9 mL As quantidades utilizadas de cada reagente e as
condiccedilotildees de siacutentese estatildeo representadas na Tabela 41
Tabela 41 Condiccedilotildees utilizadas na siacutentese hidrotermal de WO3NPs
Precursor Quantidade (g) ADE Quantidade (g) Tempo de
siacutentese (h) Temperatura (degC)
Na2WO42H2O 04
NaCl 015 1 180
Na2SO4 036 1
200 6
As soluccedilotildees preparadas foram transferidas para um autoclave que foi posteriormente selado e
colocado num forno (Figura 41) onde foi definida uma rampa de aquecimento de 333 ordmCmin Apoacutes
a etapa de arrefecimento as WO3NPs foram recolhidas e lavadas com aacutegua destilada por
centrifugaccedilatildeo (4000 rpm 20 min) e dispersas em 10 mL de H2O
Figura 41 Autoclave e forno utilizados na siacutentese hidrotermal das WO3NPs
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 28
Reagentes Tungstato de soacutedio (Na2WO4middot2H2O) ndash Fluka 990 Aacutecido cloriacutedrico (HCl) ndash Sigma-
Aldrich 37 Cloreto de soacutedio (NaCl) ndash MERCK 995 Sulfato de soacutedio (Na2SO4) ndash Panreac 99
Aacutegua destilada ndash Milipore
Equipamentos Forno Nabertherm Placa de agitaccedilatildeo Heidolph MR Hei-Tec Balanccedila analiacutetica
OHAUS Centrifugadora Focus instruments
42 Produccedilatildeo dos sensores de pH
Os sensores de pH foram produzidos em substratos de poli-imida com 76 microm de espessura
atraveacutes da padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos como representado na Figura 42
Figura 42 Esquema do sensor de pH produzido com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho
Foram produzidos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro pela teacutecnica de e-beam e de grafeno
poroso pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser Posteriormente foi feita a deposiccedilatildeo de uma camada de
WO3NPs por drop-casting na superfiacutecie dos eleacutetrodos de trabalho
421 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
Os sensores de pH com eleacutetrodos de ouro foram produzidos pela teacutecnica de e-beam onde eacute
depositada uma camada de ouro com uma espessura definida em cima do substrato
Para isso foi cortada uma maacutescara em folha de acetato (10x10 cm) com o padratildeo representado
na Figura 42 Esta maacutescara foi desenhada no software de imagem vectorial Adobe illustrator e foi
enviada para uma maacutequina de corte a laser para o corte da folha de acetato (modo vectorial 10 W de
potecircncia 100 de velocidade)
Depois da maacutescara cortada foi colocada em cima do substrato de poli-imida onde foi depositada
uma camada de titacircnio (6 nm) como promotor de adesatildeo seguida de uma camada de ouro (60 nm)
por evaporaccedilatildeo e-beam (Figura 43)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 29
Figura 43 (a) Equipamento e-beam (b) Substrato de poli-imida com a maacutescara de acetato apoacutes a deposiccedilatildeo do ouro
(c) Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro em substrao de poli-imida
Os paracircmetros utilizados na deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro estatildeo apresentados na Tabela 42
Tabela 42 Paracircmetros de deposiccedilatildeo dos eleacutetrodos de ouro (com titacircnio como promotor de adesatildeo)
Paracircmetros Titacircnio Ouro
P inicial (mbar) 1 x 10-6 1 x 10-6
T inicial (degC) 21 21
T H2O (degC) 9 9
Densidade 45 193
Fator Z 141 2317
Espessura (nm) 6 60
Velocidade de crescimento (nms) 006 014
Corrente (mA) 007 007
P final (mbar) 36 x 10-6 36 x 10-6
T final (degC) 37 37
422 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
Na fabricaccedilatildeo dos sensores com eleacutetrodos de GP utilizou-se um substrato de poli-imida
(10x10 cm) onde foram padronizados os eleacutetrodos como mostra na Figura 44 ndash a atraveacutes da teacutecnica
de induccedilatildeo a laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 30
Figura 44 (a) Teacutecnica de induccedilatildeo a laser para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos de GP (b) Sensores de pH com eleacutetrodos
de GP (c) Sensores de pH com eleacutetrodos de GP com os contatos pintados com tinta condutora de prata
Para a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos foi utilizada a maacutequina de corte a laser em modo raster com
25 W de potecircncia e 35 de velocidade Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos os sensores foram
individualizados (Figura 44 ndash b) e de forma a garantir a condutividade em todo o sensor e de
melhorar a resistecircncia dos contactos estes foram pintados com tinta condutora de prata com o auxiacutelio
de um pincel (Figura 44 ndash c)
423 Deposiccedilatildeo da camada de WO3NPs
Apoacutes a padronizaccedilatildeo dos eleacutetrodos no substrato de poli-imida as WO3NPs numa dispersatildeo de
501 (aacutegua destilada etileno glicol butil eacuteter) foram depositadas na superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho
num volume de 5 microL Os sensores foram colocados sobre uma placa de aquecimento a 60 ordmC durante
30 min ateacute a gota secar Posteriormente foi adicionada 2 microL de Nafion em cima da camada de
WO3NPs e deixou-se secar agrave temperatura ambiente durante 30 min O Nafion foi adicionado de
forma a melhorar a adesatildeo das WO3NPs agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de trabalho durante a
caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica Os sensores forma guardados num ambiente seco e protegido da luz
(Figura 45)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 31
Figura 45 Sensores de pH finais com a camada ativa de WO3NPs (a) sensor de pH com eleacutetrodos de GP (b) sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro
Os reagentes e equipamentos utilizados nesta etapa encontram-se indicados em seguida
Reagentesmateriais Etileno glicol butil eacuteter ndash Sigma-Aldrich Nafion ndash Sigma-Aldrich Aacutegua
destilada ndash Milipore folhas de acetato substrato de poli-imida 76 microm - Dupont
Equipamentos Maacutequina de corte a laser CO2 ndash Universal laser systems VLS 35 Placa de
aquecimento Heidolph MR Hei-Tec e-beam ndash ldquoHomemaderdquo
43 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
A caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores produzidos foi feita atraveacutes de mediccedilotildees de
potencial em circuito aberto num potencioacutestato com soluccedilotildees-tampatildeo preparadas previamente
(Tabela 43) numa gama de pH de 5 a 9
Tabela 43 Preparaccedilatildeo das soluccedilotildees-tampatildeo
pH Reagentes (para 1 litro)
5 205 mL Aacutecido ciacutetrico 01 M 295 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
6 95 mL Aacutecido ciacutetrico 405 mL Citrato de Soacutedio 01 M 500 mL H2O
7 756 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 244 mL HCl 01 M -
8 9551 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 449 mL HCl 01 M -
9 955 mL Fosfato Dissoacutedico Hidrogenado 01 M 45 mL HCl 01 M -
Para isso utilizou-se uma ceacutelula eletroquiacutemica em acriacutelico adaptada para os sensores
desenvolvidos (Figura 46) onde os sensores satildeo colocados na parte de baixo da ceacutelula imersos nas
soluccedilotildees-tampatildeo Na parte de cima eacute colocado o eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl
As medidas foram feitas durante 300 segundos com periacuteodo de 5 segundos agrave temperatura
ambiente
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 32
Figura 46 Aparato experimental para a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH desenvolvidos
Reagentes Soluccedilotildees-tampatildeo com pH de 5 a 9 aacutegua destilada - Milipore
Equipamentos Potenciostato 600TM Gamry Instruments eleacutetrodo de referecircncia AgAgCl ceacutelula
eletroquiacutemica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 33
5 APRESENTACcedilAtildeO E DISCUSSAtildeO DE RESULTADOS
Neste capiacutetulo satildeo apresentados os resultados obtidos no decorrer deste trabalho assim como a
sua discussatildeo
Inicialmente eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo estrutural e morfoloacutegica das WO3NPs e de seguida
satildeo apresentados os resultados decorrentes da produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e
de grafeno No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno eacute tambeacutem apresentada a caracterizaccedilatildeo
estrutural quiacutemica e morfoloacutegica do material produzido
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
51 Caracterizaccedilatildeo das nanopartiacuteculas de WO3 sintetizadas
No presente trabalho foram sintetizadas WO3NPs por um meacutetodo hidrotermal utilizando dois
agentes direcionais de estrutura (ADE) diferentes e um tempo de reaccedilatildeo diferente As amostras
obtidas foram caracterizadas por Difraccedilatildeo de raios-X e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
De modo a facilitar a interpretaccedilatildeo e discussatildeo dos resultados seguintes foi atribuiacuteda uma
nomenclatura a cada amostra de WO3NPs sintetizadas que eacute apresentada na Tabela 51
Tabela 51 Nomenclatura das WO3NPs sintetizadas
Precursor ADE Tempo de siacutentese (h) Nomenclatura
Na2WO42H2O
NaCl 1 o1H
Na2SO4 1 h1H
6 h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 34
511 Difraccedilatildeo de raios-X
A teacutecnica de DRX foi utilizada para determinar as estruturas cristalograacuteficas das amostras de
WO3NPs sintetizadas por um meacutetodo hidrotermal Os difratogramas resultantes da anaacutelise estatildeo
representados na Figura 51
Figura 51 Difratogramas das WO3 NPs sintetizadas a pH 18 (a) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com
Na2WO42H2O e NaCl durante 1 hora (o1H) (b) WO3NPs sintetizadas a partir das soluccedilotildees com Na2WO42H2O e Na2SO4
durante 1 hora (h1H) e 6 horas (h6H)
Pelos difratogramas obtidos verifica-se que com a variaccedilatildeo do ADE foi possiacutevel obter-se
estruturas cristalograacuteficas diferentes A identificaccedilatildeo das estruturas cristalograacuteficas feita no software
HighScore Plus permitiu atribuir a estrutura ortorrocircmbica agraves NPs sintetizadas com o ADE NaCl
(Figura 51 ndash a) e a estrutura hexagonal agraves NPs sintetizadas com o ADE Na2SO4 durante 1 e 6 horas
(Figura 51 ndash b) Esta atribuiccedilatildeo foi feita a partir da comparaccedilatildeo com as fichas cristalograacuteficas
existentes na base de dados do ICDD (do inglecircs International Centre for Diffraction Data) com as
referecircncias 01-072-0199 (Anexo A1) e 01-075-2127 (Anexo A2) para as estruturas
cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e hexagonal respetivamente
De um modo geral verifica-se que as estruturas obtidas tecircm todos os seus picos identificados e
que apesar de as estruturas obtidas com um tempo de siacutentese de 1 hora (o1H e h1H) natildeo possuiacuterem
todos os picos caracteriacutesticos pode afirmar-se que correspondem agrave estrutura em questatildeo o que foi
tambeacutem confirmado pelo caacutelculo dos paracircmetros de rede das amostras obtidas (Tabela 52)
Tabela 52 Paracircmetros da ceacutelula das amostras obtidas calculadas com o software HighScore Plus
Amostra Constantes da ceacutelula A Acircngulo deg
a b c α β γ
o1H 731 1251 772 9000 9000 9000
h1H 731 731 393 9000 9000 11800
h6H 732 732 391 9000 9000 12000
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 35
Os valores estatildeo de acordo com os caracteriacutesticos para as estruturas cristalograacuteficas em
questatildeo o que corrobora a atribuiccedilatildeo das estruturas
O processo de formaccedilatildeo das WO3NPs pode ser descrito em trecircs passos principais
1) Formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico
A formaccedilatildeo do aacutecido tuacutengstico (H2WO4nH2O) constitui o primeiro passo do processo de
cristalizaccedilatildeo ocorrendo pela acidificaccedilatildeo da soluccedilatildeo precursora que eacute favoraacutevel a um pH inferior a 2
2119867+ + 11988211987442minus + 1198991198672119874 rarr 11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 Equaccedilatildeo 51
2) Formaccedilatildeo de agregados de WO3
11986721198821198744 ∙ 1198991198672119874 rarr 1198821198743 + (119899 + 1)1198672119874 Equaccedilatildeo 52
3) Crescimento dos nuacutecleos cristalinos de WO3
O meacutetodo de siacutentese hidrotermal constitui um processo simples para a siacutentese de materiais
anisotroacutepicos agrave escala nanomeacutetrica a partir de solutos em aacutegua que satildeo submetidos a elevadas
pressotildees o que permite aumentar a solubilidade do soacutelido aumentando assim a velocidade da
reaccedilatildeo[47ndash49] Este meacutetodo eacute bastante dependente das condiccedilotildees experimentais o que foi comprovado
pela obtenccedilatildeo de duas estruturas cristalograacuteficas diferentes com a variaccedilatildeo do ADE NaCl e Na2SO4
Os ADE atuam como ldquocapping agentsrdquo controlando cineticamente a taxa de crescimento de
diferentes faces do cristal atraveacutes de processos de adsorccedilatildeo e desadsorccedilatildeo seletivos Quando os
iotildees satildeo adicionados ao processo de siacutentese eles ficam adsorvidos em algumas faces cristalinas
levando a um crescimento mais lento das mesmas em comparaccedilatildeo com as outras faces sem iotildees
adsorvidos[182250] No caso dos iotildees sulfato sabe-se que os mesmos se ligam agrave superfiacutecie dos
nuacutecleos cristalinos do WO3 diminuindo a energia superficial dos nuacutecleos cristalinos em todas as
direccedilotildees exceto numa Nesta direccedilatildeo o crescimento cristalino continua por processos de
aglomeraccedilatildeoligaccedilatildeo com outros nuacutecleos cristalinos Este processo continua ateacute originar estruturas
caracteriacutesticas dando origem agrave estrutura hexagonal em forma de agulha Os iotildees positivos de soacutedio
funcionam como estabilizadores no processo de crescimento[2249]
No caso dos iotildees cloreto ainda natildeo foi descrito qual o efeito no crescimento das NPs mas
prevecirc-se que seja similar ao dos iotildees sulfato
As duas estruturas cristalograacuteficas obtidas ndash ortorrocircmbica hidratada e hexagonal ndash possuem
geometrias distintas (Figura 52) o que lhes confere diferentes propriedades
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 36
Figura 52 Imagens da geometria das estruturas cristalograacuteficas obtidas na siacutentese de WO3NPs (a) Estrutura
cristalogaacutefica ortorrocircmbica hidratada (b) Estrutura cristalograacutefica hexagonal Adaptado de Marques 2014
A geometria ortorrocircmbica hidratada (Figura 52 ndash a) eacute constituiacuteda por dois tipos de octaedros
WO6 tipo I e tipo II O tipo I consiste em seis aacutetomos de oxigeacutenio a rodear o aacutetomo central de
tungsteacutenio Os quatro aacutetomos de oxigeacutenio no mesmo plano satildeo partilhados por quatro octaedros
vizinhos na mesma camada enquanto que os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio que estatildeo num plano
perpendicular satildeo partilhados com as camadas adjacentes Isto assegura a ligaccedilatildeo entre as vaacuterias
camadas e consequentemente a estabilidade agrave estrutura O tipo II consiste em quatro aacutetomos de
oxigeacutenio no mesmo plano e os outros dois aacutetomos de oxigeacutenio satildeo substituiacutedos pelas ligaccedilotildees
terminais W=O e W-OH2 dando origem a octaedros WO5(H2O) A geometria hexagonal (Figura 52 ndash
b) eacute por sua vez descrita por octaedros WO6 com cada aacutetomo de oxigeacutenio a ser partilhado com outro
octaedro Estes octaedros satildeo ligeiramente distorcidos e crescem numa uacutenica direccedilatildeo espacial O
empilhamento das vaacuterias camadas leva agrave formaccedilatildeo de tuacuteneis e cavidades trigonais entre os
octaedros WO6 A existecircncia destas cavidades tem atraiacutedo grande atenccedilatildeo por parte da comunidade
cientiacutefica devido agrave faacutecil intercalaccedilatildeo de iotildees positivos e agrave sua elevada aacuterea superficial[182251]
512 Microscopia eletroacutenica de varrimento
A morfologia das WO3NPs obtidas foi caracterizada por microscopia eletroacutenica de varrimento e
encontra-se apresentada na Figura 53
Figura 53 Imagens de SEM das amostras de WO3NPs sintetizadas
Os resultados mostram que as WO3NPs sintetizadas com NaCl (o1H) (Figura 53 ndash a) cuja
estrutura cristalograacutefica foi atribuiacuteda a ortorrocircmbica hidratada possuem uma morfologia de
nanodiscos Por outro lado as WO3NPs sintetizadas com Na2SO4 possuem uma morfologia de
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 37
nanofios verificando-se um aumento consideraacutevel do tamanho das NPs na siacutentese feita durante 6
horas (h6H) (Figura 53 ndash c) em comparaccedilatildeo com a siacutentese de 1 hora (h1H) (Figura 53 ndash d) o que
era expectaacutevel visto que o maior tempo de reaccedilatildeo permite um maior crescimento das NPs Esta
estrutura unidimensional ou seja com uma dimensatildeo elevada num dos eixos confere agrave estrutura
hexagonal caracteriacutesticas novas e otimizadas em termos de aacuterea superficial e propriedades fiacutesicas
como por exemplo caracteriacutesticas oacuteticas magneacuteticas e eletroacutenicas
52 Desenvolvimento do sensor de pH
No presente trabalho foram desenvolvidos dois tipos sensores de pH com eleacutetrodos de ouro e de
grafeno com uma camada ativa de WO3NPs em substratos flexiacuteveis de poli-imida Uma vez que jaacute
tinha sido produzido pelo grupo um sensor de pH em substrato de poli-imida e com eleacutetrodo de ouro
com WO3NPs[4] o sensor produzido neste trabalho foi desenvolvido com o intuito de comparar com
uma nova arquitetura e processo de fabrico produzindo assim um sensor de baixo-custo O sensor
de pH com eleacutetrodos de ouro serviu tambeacutem para determinar qual a melhor amostra de WO3NPs
obtida para a mediccedilatildeo do pH para posterior integraccedilatildeo no sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno
poroso
No sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi feita a otimizaccedilatildeo das condiccedilotildees a utilizar na
teacutecnica de induccedilatildeo a laser a caracterizaccedilatildeo do material obtido por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia
de Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento Por uacuteltimo foi feita a caracterizaccedilatildeo
eletroquiacutemica por mediccedilatildeo do potencial em circuito aberto com a melhor amostra de WO3NPs
521 Sensor de pH com eleacutetrodos de ouro
As NPs sintetizadas depois de lavadas por centrifugaccedilatildeo foram dispersas em aacutegua destilada
no entanto verificou-se que as dispersotildees apenas em aacutegua destilada eram instaacuteveis Por esta razatildeo
adicionou-se o solvente etileno glicol butil eacuteter para garantir a estabilidade das dispersotildees O mesmo
foi adicionado nas razotildees 101 e 501 (WO3NPs dispersas em aacutegua etileno glicol butil eacuteter)
Uma vez que era crucial garantir que a camada ativa de WO3NPs ficasse apenas na superfiacutecie
do eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor foram medidos os acircngulos de contato de
uma gota de cada dispersatildeo com a superfiacutecie de ouro Estas medidas foram feitas para as trecircs
amostras de WO3NPs (Tabela 53)
Tabela 53 Acircngulos de contato medidos de uma gota da dispersatildeo de WO3NPs com a superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro
As dispersotildees cujos acircngulos de contato foram medidos foram em aacutegua destilada e na mistura de aacutegua destilada com
butil eacuteter nas razotildees 501 e 101
Amostras de WO3NPs Acircngulos de contato (deg)
Aacutegua 501 101
o1H 813 plusmn 16 575 plusmn 11 384 plusmn 32
h1H 744 plusmn 04 616 plusmn 28 268 plusmn 01
h6H 775 plusmn 17 638 plusmn 13 332 plusmn 22
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 38
Pelos dados obtidos verificou-se que as dispersotildees em aacutegua e na razatildeo 101 possuem os
maiores e menores acircngulos de contato em todas as amostras respetivamente Estes resultados
mostram que a adiccedilatildeo do etileno glicol butil eacuteter diminui os acircngulos de contato da dispersatildeo uma vez
que diminui a tensatildeo superficial Por esta razatildeo o solvente foi adicionado em volumes muito
pequenos de forma a garantir a estabilidade da soluccedilatildeo sem levar ao espalhamento total da gota
Apesar das dispersotildees em aacutegua apresentarem os maiores acircngulos de contato optou-se pela
dispersatildeo 501 uma vez que forma um acircngulo de contato suficiente para que a gota natildeo contamine o
restante sensor e a dispersatildeo de WO3NPs manteacutem-se estaacutevel ao longo do tempo
Os eleacutetrodos de trabalho com as dispersotildees 501 das trecircs amostras de WO3NPs depositadas
foram analisados por SEM-FIB de forma a determinar a espessura da camada de NPs em cima do
eleacutetrodo e observar aderecircncia das mesmas ao eleacutetrodo de trabalho (Figura 54)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 39
Figura 54 Imagens de SEM-FIB da superfiacutecies dos eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs
depositdas (a) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra o1H (estrutura cristalograacutefica ortorrocircmbica
hidratada) (b) Imagem ampliada da amostra o1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada
formada (c) Imagem SEM-FIB do eleacutetrodo com a amostra h1H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (d) Imagem
ampliada da amostra h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada (e) Imagem SEM-FIB
do eleacutetrodo com a amostra h6H (estrutura cristalograacutefica hexagonal) (f) Imagem ampliada da amostra h6H na
superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
uma melhor distinccedilatildeo entre as diferentes camadas amarelo ouro verde WO3NPs o1H azul escuro WO3NPs
h1H azul vivo WO3NPs h6H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 40
De um modo geral verifica-se que as WO3NPs cobrem toda a superfiacutecie do eleacutetrodo
A camada depositada da amostra o1H (Figura 54 ndash ab) de estrutura cristalograacutefica
ortorrocircmbica hidratada possui uma espessura de aproximadamente 437 plusmn 5078 nm e alguma
aderecircncia agrave superfiacutecie do eleacutetrodo No entanto na imagem mais ampliada (Figura 54 ndash b) verifica-se
mesmo assim alguma separaccedilatildeo entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho No caso da amostra h1H
(Figura 54 ndash cd) de estrutura cristalograacutefica hexagonal a camada formada em cima do eleacutetrodo
possui uma espessura de 384 plusmn 5405 nm Relativamente agrave aderecircncia verifica-se que natildeo eacute tatildeo
efetiva do que a amostra o1H pelo menos em algumas zonas No entanto seria necessaacuterio mais
estudos para determinar se a falta de aderecircncia se deve aos solventes utilizados na dispersatildeo das
WO3NPs ou eacute apenas resultado da utilizaccedilatildeo do FIB utilizado no corte da amostra Por uacuteltimo na
amostra h6H (Figura 54 ndash ef) verifica-se que a camada de WO3NPs possui uma espessura bastante
elevada de aproximadamente 102 plusmn 012 microm apresentando tambeacutem uma aderecircncia muita fraca agrave
superfiacutecie do eleacutetrodo Isto deve-se possivelmente ao elevado tamanho das WO3NPs com uma
siacutentese de 6 horas mostrando uma tendecircncia para formar agregados
Na Figura 55 apresenta-se uma fotografia do sensor com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de
trabalho depois da deposiccedilatildeo das WO3NPs h1H
Figura 55 Fotografia so sensor de pH com eleacutetrodos de ouro com o contra-eleacutetrodo e o eleacutetrodo de trabalho em
destaque A camada ativa de WO3NPs eacute da amostra h1H cuja imagem SEM eacute tambeacutem apresentada
Pela fotografia verifica-se que a dispersatildeo das WO3NPs se encontra apenas na superfiacutecie do
eleacutetrodo de trabalho sem contaminar o restante sensor Verifica-se tambeacutem que a camada eacute
homogeacutenea com uma maior acumulaccedilatildeo das bordas devido ao processo de secagem Mais se
acrescenta que apesar da camada de WO3NPs natildeo cobrir totalmente a superfiacutecie do eleacutetrodo de
trabalho este estaacute coberto quase na totalidade e controlando a quantidade da gota garante-se que
todos os sensores possuem o mesmo nuacutemero de WO3NPs
522 Sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na produccedilatildeo do sensor de pH com eleacutetrodos de grafeno foi usada a teacutecnica de induccedilatildeo a laser
em substratos de poli-imida para produzir e padronizar os eleacutetrodos de GP
A ablaccedilatildeo de poliacutemeros por radiaccedilatildeo laser eacute estudada desde o iniacutecio dos anos 80 Devido agrave sua
natureza complexa o mecanismo detalhado do processo de ablaccedilatildeo polimeacuterico eacute ainda debatido ateacute
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 41
aos dias de hoje como sendo um processo fototeacutermico ou fotoquiacutemico ou ambos Uma vez que os
processos fotoquiacutemicos tendem a ocorrer em lasers com comprimentos de onda baixos e largura de
pulso curta deduz-se que esta teacutecnica de induccedilatildeo de grafeno a laser ocorre por um efeito
fototeacutermico uma vez que eacute conseguida num laser de CO2 que possui um elevado comprimento de
onda (~ 106 microm) e pulsos relativamente longos (~ 14 ms) A energia da radiaccedilatildeo do laser provoca
vibraccedilotildees o que leva a temperaturas localizadas extremamente elevadas (gt 2500 degC) que
conseguem facilmente quebrar as ligaccedilotildees C-O C=O e N-C presentes na poli-imida (Figura 56)
Estes aacutetomos recombinam-se e satildeo libertados como gases e os compostos aromaacuteticos rearranjam-
se formando a estrutura atoacutemica do grafeno[4445]
Figura 56 Estrutura molecular da poli-imida
De forma a determinar quais as melhores condiccedilotildees em termos de potecircncia e velocidade do
laser para induzir a formaccedilatildeo de GP foram testadas diferentes condiccedilotildees no laser e foi medida a
resistividade das diferentes amostras produzidas cujos resultados satildeo apresentados na Tabela 54
Tabela 54 Amostras obtidas atraveacutes da variaccedilatildeo da potecircncia e da velocidade para a produccedilatildeo de grafeno por induccedilatildeo
a laser no substrato de poli-imida As resistividades do grafeno obtido foram medidas com um muacuteltimetro mantendo
uma distacircncia de 1 cm entre os crocodilos As medidas foram feitas em triplicado
Condiccedilotildees utilizadas no laser de CO2
Velocidade ()
30 60 90
Potecircncia (W)
5
- -
Sem formaccedilatildeo de GP - -
125
R = 50 plusmn 22 Ωcm R = 61 plusmn 57 Ωcm Sem formaccedilatildeo de GP
25
R = 38 plusmn 08 Ωcm R = 53 plusmn 59 Ωcm R = 148 plusmn 375 Ωcm
40
- -
Excesso de potecircncia - -
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 42
Verfica-se que a uma potecircncia de 5 W natildeo haacute formaccedilatildeo de GP no substrato de poli-imida pelo
contraacuterio quando se utiliza um potecircncia de 125 W observa-se a formaccedilatildeo de GP agrave velocidade de 30
e 60 com valores de resistividade de 50 plusmn 22 Ωcm e 61 plusmn 57 Ωcm respetivamente Agrave velocidade
de 90 tambeacutem natildeo se observa formaccedilatildeo de GP uma vez que a velocidade do laser eacute muita
elevada e a potecircncia natildeo eacute suficiente para induzir a formaccedilatildeo do material
No caso das amostras obtidas com potecircncia de laser de 25 W verfica-se que ocorre formaccedilatildeo
de GP em todas as velocidades usadas e que o valor de resistividade aumenta com a velocidade do
laser uma vez que quanto maior a velocidade menos tempo o laser passa no mesmo local As
resistividades obtidas para as velocidades de 30 60 e 90 foram de 38 plusmn 1 53 plusmn 6 e 148 plusmn 38 Ωcm
respetivamente Por uacuteltimo foi testada uma potecircncia mais elevada de 40 W que revelou ser muito
elevada levando agrave destruiccedilatildeo do substrato de poli-imida
Com estes resultados optou-se por produzir os eleacutetrodos de grafeno no substrato de poli-imida
com 25 W de potecircncia e 30 de velocidade visto que satildeo as condiccedilotildees que permitem a formaccedilatildeo
de GP com um menor valor de resisitividade (38 plusmn 1 Ωcm)
Na Figura 57 encontram-se imagens obtidas por lupa oacutetica da zona do eleacutetrodo de trabalho e
contra-eleacutetrodo (Figura 57 ndash a) bem como a imagem do eleacutetrodo de trabalho ampliado (Figura 57 ndash
b) As imagens dos contatos do sensor (Figura 57 ndash c) bem como uma zona mais ampliada (Figura
57 ndash d) tambeacutem satildeo apresentadas
Figura 57 Imagens de lupa oacutetica dos eleacutetrodos de grafeno poroso produzidos pela teacutecnica de induccedilatildeo a laser num
substrato de poli-imida
Pela observaccedilatildeo da imagem pode-se afirmar que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser permite a
padronizaccedilatildeo do sensor de pH atraveacutes de linhas horizontais consecutivas com uma elevada
resoluccedilatildeo e com um tempo de produccedilatildeo bastante baixo de aproximadamente 15 segundossensor
Contudo eacute de se notar que ocorreu um ligeiro aumento da aacuterea padronizada devido ao aquecimento
produzido pelo laser
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 43
5221 Difraccedilatildeo de raios-X
O GP produzido por induccedilatildeo a laser foi caraterizado por Difraccedilatildeo de raios-X Espetroscopia de
Raman e por Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 58 estaacute apresentado o difratograma do GP produzido e do substrato de poli-imida
Figura 58 Difratograma do poacute de grafeno produzido no laser (a azul) e do substrato de poli-imida (a preto)
Verifica-se que o material obtido possui os dois picos caracteriacutesticos do grafeno um pico com maior
intensidade a θ = 2603deg correspondente ao plano (002) e um pico com menor intensidade a
θ = 4980deg correspondente ao plano (100) Aleacutem disso observa-se tambeacutem a presenccedila de um pico a
θ = 2260deg natildeo identificado que pode ser devido agrave presenccedila de impurezas ou defeitos na estrutura
obtido Apesar disso pode afirmar-se que a teacutecnica de induccedilatildeo a laser produziu com sucesso
grafeno no substrato de poli-imida uma vez que o difratograma estaacute de acordo com a literatura[4445]
5222 Espetroscopia de Raman
Na Figura 59 estaacute apresentado o espetro de Raman do GP produzido
Figura 59 Espetro de Raman do GP na superfiacutecie do substrato de poli-imida produzida com 25 W de potecircncia a uma
velocidade de 30
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 44
Pela observaccedilatildeo do espetro pode afirmar-se que a simetria da banda 2D (~ 2679 cm-1) indica
que natildeo se trata de grafite contudo apresenta uma intensidade demasiado baixa em relaccedilatildeo agrave banda
G (~ 1574 cm-1) para ser grafeno de poucas camadas Trata-se portanto de alguma forma de
multicamadas de grafeno com empilhamento natildeo ordenado (caso contraacuterio a banda Grsquo teria uma
composiccedilatildeo clara) A relaccedilatildeo de intensidades da banda G com a D (~ 1338 cm-1) indica a presenccedila
de defeitos estruturais eou muitas extremidades expostas na morfologia do material produzido[29]
5223 Microscopia eletroacutenica de varrimento
Na Figura 510 encontram-se as imagens de SEM do GP com diferentes ampliaccedilotildees de forma a
observar-se a morfologia do material
Figura 510 Imagens de SEM da morfologia do grafeno produzido na superfiacutecie do substrato de poli-imida (a) Imagem
obtida com uma ampliaccedilatildeo de 50 X onde eacute tambeacutem possiacutevel ver o substrato de poli-imida (b) Imagem obtida com uma
ampliaccedilatildeo de 1 KX (c) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 3 KX (d) Imagem obtida com uma ampliaccedilatildeo de 20 KX
com o caacutelculo do diacircmetro do poro
As imagens de SEM obtidas demonstram uma aparecircncia espumosa com uma estrutura porosa
resultante da raacutepida libertaccedilatildeo dos produtos gasosos A induccedilatildeo a laser nas condiccedilotildees otimizadas
(25 W de potecircncia 30 de velocidade) mostrou produzir uma camada de grafeno com uma
espessura de aproximadamente 100 microm (Figura 510 ndash a) A estrutura porosa apresenta poros de
grandes dimensotildees assim como de pequenas dimensotildees Os diacircmetros dos poros de dimensotildees
mais pequenas foram determinados a partir da imagem de SEM mais ampliada (Figura 510 ndash d)
apresentado um diacircmetro de 256 nm com um desvio-padratildeo de 144 nm que eacute relativamente elevado
mostrando uma baixa uniformidade das dimensotildees dos poros
Por uacuteltimo utilizou-se a teacutecnica de SEM-FIB para observar a distribuiccedilatildeo espessura e aderecircncia
das WO3NPs h1H (501) agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (Figura 511)
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 45
Figura 511 (a) Imagem de SEM-FIB das NPs h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo de GP (b) Imagem ampliada da amostra
h1H na superfiacutecie do eleacutetrodo mostrando a altura da camada formada As imagens foram coloridas artificialmente para
permitir uma melhor distinccedilatildeo das diferentes camadas azul WO3NPs h1H amarelo escuro GP
Observando as imagens verifica-se que a superfiacutecie do eleacutetrodo estaacute totalmente coberta com as
WO3NPs h1H cuja camada possui uma espessura de 136 plusmn 013 microm Relativamente agrave aderecircncia
verifica-se que as WO3NPs estatildeo totalmente em contacto com a superfiacutecie do eleacutetrodo ao contraacuterio
dos eleacutetrodos de ouro
53 Caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica
Seguidamente seraacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica dos sensores de pH produzidos
com uma camada ativa de WO3NPs Em primeiro lugar eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo do sensor de
pH com eleacutetrodos de ouro com as trecircs amostras de WO3NPs sintetizadas ndash o1h h1H e h6H A
caracterizaccedilatildeo foi feita atraveacutes de mediccedilotildees do potencial em circuito aberto ao mergulhar o sensor
em soluccedilotildees-tampatildeo de pH de 5 a 9 cujo intervalo estaacute dentro dos valores de pH dos processos
bioloacutegicas uma vez que o objetivo principal do trabalho era o de desenvolver um sensor de pH
flexiacutevel e de baixo-custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica
Por uacuteltimo eacute apresentada a caracterizaccedilatildeo eletroquiacutemica do sensor de pH com eleacutetrodos de GP
com a amostra de WO3NPs que apresentou melhores resultados no sensor de pH com eleacutetrodos de
ouro
531 Sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade do sensor de pH
Segundo a bibliografia a sensibilidade ideal para um sensor de pH deve ser expresso segundo
uma reta linear com um declive de -591 mVpH resultado este deduzido da Equaccedilatildeo de Nernst
simplificada (Equaccedilatildeo 25) mostrando assim que o potencial eacute dependente do pH
5311 Sensores de pH com eleacutetrodos de ouro
Na Figura 512 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 46
Figura 512 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de ouro e sem camada ativa de
WO3NPs
De um modo geral este sensor demonstra uma sensibilidade de -447 plusmn 47 mVpH um pouco
abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em
soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo de ouro sem camada
ativa de WO3NPs
Na figura 513 pode-se observar o primeiro estudo do sensor de pH com a amostra de WO3NPs
o1H como camada ativa onde se monitorizou a variaccedilatildeo do seu potencial com o pH
Figura 513 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra o1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra o1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se triplicados e este
mostrou uma sensibilidade de -207 plusmn 118 mVpH (Figura 513 ndash a) uma sensibilidade bastante
abaixo do valor teoacuterico Para aleacutem disso a sensibilidade apresenta um desvio padratildeo de 118 mVpH
traduzindo-se num erro de mais de 50 revelando uma baixa reprodutibilidade do sensor
O teste de reversibilidade (Figura 513 ndash b) revelou uma sensibilidade de -386 mVpH na
primeira descida e -329 mVpH na subida Na segunda descida a sensibilidade diminuiu
consideravelmente para -226 mVpH o que corresponde a um decreacutescimo na ordem dos 41
Este baixo valor de sensibilidade e reversibilidade pode dever-se ao facto de as WO3NPs natildeo
aderirem bem agrave superfiacutecie do eleacutetrodo de ouro (Figura 54 ndash b) impossibilitando a troca eficaz de
eletrotildees entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho Aleacutem disso a estrutura cristalograacutefica
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 47
ortorrocircmbica hidratada natildeo permite uma intercalaccedilatildeodesintercalaccedilatildeo dos iotildees H+ tatildeo eficaz com a
estrutura cristalograacutefica hexagonal que possui tuacuteneis e cavidades trigonais e cujos resultados satildeo
apresentados em seguida
Na Figura 514 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com a amostra de WO3NPs h6H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 514 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h6H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h6H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial de circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade de -218 plusmn 79 mVpH
(Figura 514 ndash a) uma sensibilidade abaixo do valor teoacuterico (-591 mVpH) mas um pouco mais
sensiacutevel que o sensor com WO3NPs ortorrocircmbicas o1H Esta diferenccedila pode ser justificada pelo tipo
de estrutura cristalograacutefica pois a camada de WO3NPs h6H apesar de ter ficado mais espessa
apresentou uma sensibilidade maior Aleacutem disso este sensor mostrou um erro associado de 79
mVpH abaixo do erro do sensor com WO3NPs h6H revelando uma maior reprodutibilidade em
relaccedilatildeo ao sensor anterior
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde o sensor mostrou uma sensibilidade de
-289 mVpH na descida (pH 9 a 5) e de -343 mVpH na subida (pH 5 a 9) O facto de a sensibilidade
ter aumentado na segunda medida mostra que o tamanho e a aderecircncia satildeo um fator determinante
na estabilidade do sensor Pois como se pode observar pela Figura 54 ndash f a camada de WO3NPs
possui uma espessura muito elevada na ordem dos microacutemetros e uma aacuterea de contacto com o
eleacutetrodo de ouro bastante reduzida
Na Figura 515 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH
revestido com WO3NPs h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 48
Figura 515 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -306 plusmn 21
mVpH (Figura 515 ndash a) Apesar de estar ainda abaixo do valor teoacuterico este sensor apresenta uma
sensibilidade razoaacutevel e com um erro associado pequeno mostrando que este sensor eacute bastante
reprodutiacutevel Este demonstrou ser o sensor com maior sensibilidade ao pH comparativamente aos
sensores produzidos com as outras estruturas de WO3NPs (o1H e h6H) devido agraves caracteriacutesticas da
estrutura cristalograacutefica hexagonal e agrave baixa espessura da camada de WO3NPs na superfiacutecie do
eleacutetrodo (Figura 54 ndash d) o que facilita a troca eletroacutenica entre as WO3NPs e o eleacutetrodo de trabalho
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -326 mVpH e -327 mVpH na subida Estas sensibilidades satildeo bastante proacuteximas mostrando
que este sensor eacute reversiacutevel No entanto na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-132 mVpH diminuindo bastante em relaccedilatildeo aos ciclos anteriores com um decreacutescimo de 59
mostrando que o processo de reduccedilatildeoreduccedilatildeo do WO3 (Equaccedilatildeo 26) vai deixando de ser reversiacutevel
ao longo das mediccedilotildees de pH
Na Figura 516 tem-se um resumo das trecircs amostras diferentes com suas respetivas
sensibilidades e desvios-padratildeo de cada um
Figura 516 Testes de sensibilidade e reprodutibilidade das trecircs amostras de WO3NPs
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 49
Eacute de realccedilar que a geometria com maior sensibilidade e reprodutibilidade foi a hexagonal e
dentro desta estrutura cristalograacutefica a siacutentese de 1 hora que origina um tamanho de NPs menor
teve uma maior sensibilidade que a de 6 horas (-306 plusmn 21 mVpH)
5312 Sensores de pH com eleacutetrodos de grafeno poroso
Na Figura 517 pode-se observar a variaccedilatildeo do potencial medido com um sensor de pH com
eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de WO3NPs
Figura 517 Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com eleacutetrodos de GP e sem camada ativa de
WO3NPs
Este sensor demonstra uma sensibilidade de -164 plusmn 01 mVpH bastante abaixo do valor teoacuterico
(-591 mVpH) pois representa a variaccedilatildeo da concentraccedilatildeo dos prototildees em soluccedilatildeo devido agrave reaccedilatildeo
redox representada na Equaccedilatildeo 26 de um eleacutetrodo GP sem camada ativa de WO3NPs Apesar disso
este sensor mostrou ser bastante reprodutiacutevel com um erro miacutenimo de 01 mVpH
Na Figura 518 pode-se observar o estudo do potencial em circuito aberto do sensor de pH com
eleacutetrodos de GP revestido com a amostra de WO3NPs h1H de estrutura cristalograacutefica hexagonal
Figura 518 (a) Teste de sensibilidade e reprodutibilidade do sensor de pH com a amostra h1H onde estaacute representada
a equaccedilatildeo da reta Os ensaios foram realizados em triplicados (b) Teste de reversibilidade do sensor de pH com a
amostra h1H
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 50
Para assegurar a fiabilidade da resposta ao pH deste sensor realizaram-se as medidas de
potencial em circuito aberto em triplicado e este mostrou uma sensibilidade meacutedia de -105 plusmn 21
mVpH (Figura 518 ndash a) com um erro associado de cerca de 20
Realizou-se ainda o teste de reversibilidade onde a primeira descida mostrou uma sensibilidade
de -125 mVpH e -67 mVpH na subida Na segunda descida o sensor mostrou uma sensibilidade de
-43 mVpH
Neste sensor foram usadas as WO3NPs que obtiveram melhores resultados nos sensores com
eleacutetrodos de ouro (h1H) apesar disso o sensor apresentou uma sensibilidade muito mais baixa
Como se pode observar pelas imagens de FIB (Figura 511) devido agrave natureza altamente hidrofoacutebica
do GP este dificulta a formaccedilatildeo de uma camada de NPs fina levando a uma concentraccedilatildeo das NPs
no centro do eleacutetrodo o que se traduz numa camada espessa de NPs e tambeacutem na diminuiccedilatildeo da
aacuterea coberta do eleacutetrodo de trabalho em comparaccedilatildeo com as mesmas NPs nos eleacutetrodos de ouro
Estes dois fatores condicionam a passagem eficaz dos eletrotildees o que representa uma resposta baixa
aacute variaccedilatildeo de pH
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 51
6 CONCLUSOtildeES E PERSPETIVAS FUTURAS
No acircmbito deste trabalho utilizou-se grafeno poroso como eleacutetrodo condutor no desenvolvimento
de um sensor em substrato de poli-imida para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica neste caso do pH usando
como camada ativa nanopartiacuteculas de WO3
Com o uso de um meacutetodo hidrotermal na siacutentese de WO3NPs foi possiacutevel obter duas estruturas
cristalograacuteficas diferentes - ortorrocircmbica hidratada e hexagonal - atraveacutes da variaccedilatildeo dos agentes
direcionadores de estrutura Dentro da geometria hexagonal foi possiacutevel obter duas amostras com
tamanhos diferentes aumentando o tempo de siacutentese de 1 para 6 horas obtendo-se assim NPs
maiores
As amostras de WO3NPs dispersas em aacutegua destiladaetileno glicol butil eacuteter na razatildeo de 501
foram utilizadas nos testes de sensibilidade reprodutibilidade e reversibilidade em sensores com
eleacutetrodos de ouro A avaliaccedilatildeo dos sensores foi realizada com recurso a um potencioacutestato com a
teacutecnica de potencial de circuito aberto de modo a avaliar a variaccedilatildeo de potencial da camada ativa de
WO3NPs em funccedilatildeo do pH na gama de 5 a 9 A amostra que demonstrou melhores resultados nos
testes eletroquiacutemicos foi a h1H de geometria hexagonal apresentando uma sensibilidade de -306 plusmn
21 mVpH O melhor desempenho destas WO3NPs deve-se aos benefiacutecios da sua geometria com a
presenccedila de tuacuteneis hexagonais e cavidades trigonais da sua morfologia de estrutura unidimensional
com uma elevada aacuterea superficial atoacutemica e do seu tamanho que facilitou a adesatildeo agrave superfiacutecie do
ouro Esta amostra foi entatildeo utilizada na produccedilatildeo do sensor com eleacutetrodos de grafeno poroso (GP)
O sensor de pH com eleacutetrodos de GP e a amostra de WO3NPs h1H apresentou uma
sensibilidade inferior (-105 plusmn 21 mVpH) ao sensor com eleacutetrodos de ouro e com a mesma amostra
de WO3NPs Este resultado deve-se a dois fatores o primeiro relativo agrave superior resistividade do
grafeno em relaccedilatildeo ao ouro e o segundo devido agrave elevada espessura da camada de WO3NPs
Podemos concluir que o meacutetodo de deposiccedilatildeo das NPs natildeo foi o mais adequado pois natildeo foi possiacutevel
obter uma camada ativa fina e mais estudo devem ser realizados utilizando outros meacutetodos de
deposiccedilatildeo como a impressatildeo por inkjet que permite um maior controlo sobre o volume da gota mas
que encarece o processo ou a eletrodeposiccedilatildeo
Estes resultados demonstram que eacute possiacutevel produzir sensores de pH de baixo custo e flexiacuteveis
atraveacutes de um meacutetodo raacutepido e barato de induccedilatildeo de grafeno a laser Quando otimizado este sensor
de pH de baixo custo para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica pode ser incorporado noutros sistemas de deteccedilatildeo
mais complexos devido aacute sua flexibilidade mais se acrescenta que este meacutetodo de produccedilatildeo dos
sensores pode tambeacutem ser facilmente aplicado em diferentes arquiteturas de sensores
eletroquiacutemicos uma vez que permite a padronizaccedilatildeo de eleacutetrodos de uma forma raacutepida com elevada
resoluccedilatildeo e de baixo custo
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 52
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 53
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] M G Trevisan Quim Nova 2006 29 1065 [2] F-G Banica Chemical Sensors and Biosensors Chemical Sensors and Biosensors 2012 [3] T Guinovart G Valdeacutes-Ramiacuterez J R Windmiller F J Andrade J Wang Electroanalysis
2014 26 1345 [4] L Santos J P Neto A Crespo D Nunes N Costa I M Fonseca P Barquinha L Pereira
J Silva R Martins E Fortunato ACS Appl Mater Interfaces 2014 13 12226 [5] L Rassaei F Marken M Sillanp M Amiri C M Cirtiu M Sillanp TrAC - Trends
Anal Chem 2011 30 1704 [6] B Hu W Chen J Zhou Sensors Actuators B Chem 2013 176 522 [7] S Que Hee Biological Monitoring An Introduction John Wiley amp Sons Ltd 1993 [8] B Veigas E Fortunato P V Baptista Sensors (Basel) 2015 15 10380 [9] B Veigas R Branquinho J V Pinto P J Wojcik R Martins E Fortunato P V Baptista
Biosens Bioelectron 2014 52 50 [10] R P Buck S Rondinini a K Covington F G K Baucke C M a Brett M F Camoes M J
T Milton T Mussini R Naumann K W Pratt P Spitzer G S Wilson Pure Appl Chem 2002 74 2169
[11] I Mills T Cvitas K Homann N Kallay K Kuchitsu Quantities Units and Symbols in Physical Chemistry 2nd Edition 1993
[12] a K Convington R G Bates R a Durst Pure Appl Chem 1985 57 531 [13] P Kurzweil Metal oxides and ion-exchanging surfaces as pH sensors in liquids State-of-the-
art and outlook 2009 [14] M S Silberberg Principles of General Chemistry 2009 [15] A Brett C Brett Electroquiacutemica Princiacutepios Meacutetodos e Aplicaccedilotildees 1993 [16] L Santos J P Neto A Crespo P Baiatildeo P Barquinha L Pereira R Martins E Fortunato
2015 pp 1ndash22 [17] C Baj-Rossi G De Micheli S Carrara IEEE Life Sci 2014 12 15 [18] A Phuruangrat D J Ham S J Hong S Thongtem J S Lee J Mater Chem 2010 20
1683 [19] L Santos C M Silveira E Elangovan J P Neto D Nunes L Pereira R Martins J Viegas
J J G Moura S Todorovic M G Almeida E Fortunato Sensors Actuators B Chem 2016 223 186
[20] S-H Lee R Deshpande P A Parilla K M Jones B To A H Mahan A C Dillon Adv Mater 2006 18 763
[21] A C Marques L Santos M N Costa J M Dantas P Duarte A Gonccedilalves R Martins C A Salgueiro F Fortunato Sci Rep 2015 5 1
[22] A C Marques Desenvolvimento de um sensor colorimeacutetrico em papel para a deteccedilatildeo de bacteacuterias eletroquimicamente ativas Universidade Nova de Lisboa 2014
[23] G A Niklasson C G Granqvist J Mater Chem 2007 17 127 [24] S K Deb Sol Energy Mater Sol Cells 2008 92 245 [25] M Berger laquoNanotechnology primer graphene - properties uses and applicationsraquo can be
found under httpwwwnanowerkcomspotlightspotid=34184php 2014 [26] K Novoselov A Geim S Morozov D Jiang Y Zhang S Dubonos I Grigorieva A Firsov
Science (80- ) 2004 306 666 [27] M J Allen V C Tung R B Kaner laquoHoneycomb carbon A review of grapheneraquo 2010 [28] M Pumera A Ambrosi A Bonanni E L K Chng H L Poh TrAC Trends Anal Chem 2010
29 954 [29] L M Malard M A Pimenta G Dresselhaus M S Dresselhaus Phys Rep 2009 473 51 [30] Y-L Zhang Q-D Chen Z Jin E Kim H-B Sun Nanoscale 2012 4 4858 [31] Y Zhu S Murali W Cai X Li J W Suk J R Potts R S Ruoff Adv Mater 2010 22 3906 [32] J Chen M Zhao Y Li J Liang S Fan S Chen Ceram Int 2015 41 15241 [33] M Peplow Nature 2015 522 268 [34] W Norimatsu M Kusunoki Phys Chem Chem Phys 2014 16 3501 [35] K S Novoselov A H Castro Neto Phys Scr 2012 T146 014006 [36] P Russo A Hu G Compagnini Nano-Micro Lett 2013 5 260 [37] P Xu J Yang K Wang Z Zhou P Shen Chinese Sci Bull 2012 57 2948 [38] G Schneider S Kowalczyk V Calado Nano Lett 2010 10 2915
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 54
[39] C A Merchant K Healy M Wanunu V Ray N Peterman J Bartel M D Fischbein K Venta Z Luo A T C Johnson M Drndić Nano Lett 2010 10 2915
[40] M Fischbein M Drndic Appl Phys Lett 2008 93 113107 [41] D Fox A OrsquoNeill D Zhou M Boese J Coleman H Zhang Appl Phys Lett 2011 98
243117 [42] Z Fan Q Zhao T Li J Yan Y Ren J Feng T Wei Carbon N Y 2012 50 1699 [43] M Koinuma C Ogata Y Kamei K Hatakeyama H Tateishi Y Watanabe T Taniguchi K
Gezuhara S Hayami A Funatsu M Sakata Y Kuwahara S Kurihara Y Matsumoto J Phys Chem C 2012 116 19822
[44] P Russo A Hu G Compagnini W W Duley N Y Zhou Nanoscale 2014 6 2381 [45] J Lin Z Peng Y Liu F Ruiz-Zepeda R Ye E L G Samuel M J Yacaman B I
Yakobson J M Tour Nat Commun 2014 5 1 [46] D Kurouski R Van Duyne I Lednev R Soc Chem 2015 140 4967 [47] R R Kharade K R Patil P S Patil P N Bhosale Mater Res Bull 2012 47 1787 [48] J-H Ha P Muralidharan D K Kim J Alloys Compd 2009 475 446 [49] S Rajagopal D Nataraj D Mangalaraj Y Djaoued J Robichaud O Y Khyzhun Nanoscale
Res Lett 2009 4 1335 [50] Z Gu H Li T Zhai W Yang Y Xia Y Ma J Yao J Solid State Chem 2007 180 98 [51] K Huang Q Pan F Yang S Ni X Wei D He J Phys D Appl Phys 2008 41 155417
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 55
8 ANEXOS
A ndash Fichas cristalograacuteficas das estruturas cristalograacuteficas ortorrocircmbica hidratada e
hexagonal
A1 ndash Ficha cristalograacutefica Ortorrocircmbica hidratada (o-WO3middot033H2O)
Name and formula Reference code 01-072-0199 ICSD name Tungsten Oxide Hydrate Empirical formula H066O333W
Chemical formula WO3 (H2O)033
Crystallographic parameters Crystal system Orthorhombic Space group Fmm2 Space group number 42 a (Aring) 73590 b (Aring) 125130 c (Aring) 77040 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 900000 Calculated density (gcm^3) 668 Volume of cell (10^6 pm^3) 70941 Z 1200 RIR 613 Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 35-270 ICSD collection code 015514 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Figlarz M J Solid State Chem 38
312 (1981) Peak list
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 56
No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 0 2 0 625650 14144 389
2 1 1 1 489696 18101 822
3 0 0 2 385200 23071 764
4 2 0 0 367950 24168 76
5 1 3 1 328276 27142 442
6 2 2 0 317166 28112 1000
7 0 4 0 312825 28510 476
8 2 0 2 266069 33657 105
9 2 2 2 244848 36674 485
10 0 4 2 242834 36989 231
11 2 4 0 238034 37763 106
12 3 1 1 229763 39177 44
13 1 5 1 226466 39771 42
14 1 3 3 209618 43120 52
15 0 6 0 208550 43352 18
16 3 3 1 203904 44392 72
17 2 4 2 202675 44676 59
18 0 0 4 192600 47150 69
19 0 2 4 184075 49476 153
20 0 6 2 183396 49672 98
21 2 6 0 181434 50246 161
22 4 2 0 176502 51752 14
23 3 1 3 175624 52030 29
24 1 5 3 174138 52508 30
25 3 5 1 170637 53670 71
26 1 7 1 169452 54076 31
27 4 0 2 166012 55291 69
28 2 2 4 164624 55798 124
29 2 6 2 164138 55978 200
30 3 3 3 163232 56316 30
31 4 2 2 160460 57378 37
32 4 4 0 158583 58122 94
33 0 8 0 156412 59008 43
34 2 4 4 149800 61891 65
35 4 4 2 146642 63376 86
36 0 8 2 144921 64218 43
37 3 5 3 144715 64320 24
38 2 8 0 143881 64738 17
39 5 1 1 143610 64876 21
40 3 7 1 141992 65707 15
41 1 3 5 141824 65795 15
42 0 6 4 141492 65969 34
43 4 6 0 137964 67881 03
44 5 3 1 136594 68657 10
45 2 8 2 134839 69678 16
46 1 9 1 134518 69869 17
47 4 0 4 133035 70763 20
48 2 6 4 132064 71363 41
49 4 2 4 130125 72594 35
50 4 6 2 129885 72749 30
51 1 5 5 129169 73218 10
52 0 0 6 128400 73729 03
53 5 1 3 127035 74655 08
54 0 2 6 125779 75530 21
55 5 5 1 125181 75955 06
56 3 3 5 124525 76427 06
57 4 4 4 122424 77983 28
58 5 3 3 122100 78230 20
59 0 8 4 121417 78755 15
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 57
60 2 0 6 121231 78899 19
61 1 9 3 120611 79385 08
62 6 2 0 120359 79584 24
63 3 9 1 119492 80278 05
64 4 8 0 119166 80543 23
65 2 2 6 119017 80664 14
66 0 4 6 118783 80856 13
67 2 10 0 118467 81117 22
68 6 0 2 116869 82465 02
69 3 5 5 115696 83487 05
70 2 8 4 115302 83837 22
71 6 2 2 114882 84214 27
72 6 4 0 114187 84845 02
73 4 8 2 113843 85162 25
74 2 10 2 113233 85731 25
75 2 4 6 113039 85914 26
76 5 7 1 112407 86515 05
77 4 6 4 112158 86755 17
78 1 11 1 111241 87650 04
79 6 4 2 109478 89435 08
80 0 6 6 109339 89579 12
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 000000 000000 076000 60000 10000 4a
2 O2 O 000000 000000 027000 60000 10000 4a
3 O3 O 025000 025000 031000 60000 10000 8b
4 O4 O 017000 011000 007000 60000 10000 16e
5 O5 O 000000 029000 010000 60000 10000 8c
6 W1 W 000000 000000 000000 13000 10000 4a
7 W2 W 025000 025000 006000 23000 10000 8b
Stick Pattern
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 58
A2 ndash Ficha cristalograacutefica Hexagonal (h-WO3)
Name and formula Reference code 01-075-2187 ICSD name Tungsten Oxide Empirical formula O3W
Chemical formula WO3
Crystallographic parameters Crystal system Hexagonal Space group P6mmm Space group number 191 a (Aring) 72980 b (Aring) 72980 c (Aring) 38990 Alpha (deg) 900000 Beta (deg) 900000 Gamma (deg) 1200000 Calculated density (gcm^3) 642 Measured density (gcm^3) 636 Volume of cell (10^6 pm^3) 17984 Z 300 RIR 833
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 59
Subfiles and Quality Subfiles Inorganic Alloy metal or intermetalic Corrosion Modelled additional pattern Quality Calculated (C) Comments Additional pattern See PDF 33-1387 ICSD collection code 032001 References Primary reference Calculated from ICSD using POWD-12++ (1997) Structure Gerand B Nowogrocki G Guenot J Figlarz M J Solid State
Chem 29 429 (1979) Peak list No h k l d [A] 2Theta[deg] I []
1 1 0 0 632025 14001 1000
2 0 0 1 389900 22789 674
3 1 1 0 364900 24374 216
4 1 0 1 331836 26845 220
5 2 0 0 316013 28217 952
6 1 1 1 266423 33611 110
7 2 0 1 245502 36573 559
8 2 1 0 238883 37623 100
9 3 0 0 210675 42893 43
10 2 1 1 203692 44441 38
11 0 0 2 194950 46548 77
12 1 0 2 186289 48849 37
13 3 0 1 185348 49114 40
14 2 2 0 182450 49947 162
15 3 1 0 175292 52136 76
16 1 1 2 171949 53229 25
17 2 0 2 165918 55325 160
18 2 2 1 165252 55568 173
19 3 1 1 159878 57607 40
20 4 0 0 158006 58355 84
21 2 1 2 151038 61328 16
22 4 0 1 146439 63474 93
23 3 2 0 144997 64180 27
24 3 0 2 143087 65142 12
25 4 1 0 137919 67906 18
26 3 2 1 135903 69055 15
27 2 2 2 133212 70655 61
28 3 1 2 130348 72450 15
29 4 1 1 130024 72659 24
30 1 0 3 127303 74471 04
31 5 0 0 126405 75091 01
32 4 0 2 122751 77736 40
33 1 1 3 122433 77976 24
34 3 3 0 121633 78588 02
35 5 0 1 120198 79712 24
36 4 2 0 119442 80319 75
37 3 2 2 116345 82918 07
38 3 3 1 116114 83119 05
Desenvolvimento de um sensor de pH de baixo-custo e flexiacutevel para monitorizaccedilatildeo bioloacutegica 60
39 4 2 1 114203 84831 51
40 5 1 0 113515 85467 09
41 4 1 2 112592 86338 05
42 3 0 3 110612 88277 02
43 5 1 1 108990 89944 06
Structure
No Name Elem X Y Z Biso sof Wyck
1 O1 O 021200 042400 000000 52000 10000 6l
2 O2 O 050000 000000 050000 63000 10000 3g
3 W1 W 050000 000000 000000 05000 10000 3f
Stick Pattern