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Universidade Federal de São João del-Rei Coordenadoria do Curso de Química

Emprego de nanomateriais de carbono para utilização em sensores eletroquímicos na

determinação de fármacos e compostos de interesse clínico

Laís Sales Porto

São João del-Rei – 2017

EMPREGO DE NANOMATERIAIS DE CARBONO PARA UTILIZAÇÃO EM SENSORES ELETROQUÍMICOS NA DETERMINAÇÃO DE FÁRMACOS E COMPOSTOS DE

INTERESSE CLÍNICO

Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado no segundo semestre do ano de 2017 ao Curso de Química, Grau Acadêmico Bacharelado, da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito parcial para obtenção do título Bacharel em Química. Autor(a): Laís Sales Porto Docente Orientador: Prof. Dr. Arnaldo César Pereira Modalidade do Trabalho: Revisão Bibliográfica

São João del-Rei – 2017

RESUMO:

O desenvolvimento de métodos analíticos sensíveis, eficazes e confiáveis têm se

tornado cada vez mais significativo devido à necessidade de caracterização e determinação

de inúmeros compostos nas diferentes áreas de conhecimento. Em especial, a análise de

fármacos é extremamente importante, desde o desenvolvimento até os estudos de

estabilidade e controle de qualidade, para garantir que o medicamento cumpra de maneira

efetiva o seu princípio ativo e prevenir possíveis complicações que possam comprometer à

saúde e o bem estar do paciente. Além disso, métodos analíticos capazes de determinar

compostos de interesse clínico em fluidos biológicos, são extremamente importantes para a

indicação de diagnósticos efetivos. Neste contexto, a versatilidade, alta sensibilidade,

seletividade, portabilidade, baixo custo e rapidez, das técnicas eletroanalíticas, fazem com

que os sensores eletroquímicos sejam ferramentas favoráveis para análise de fármacos e

compostos de interesse clínico. Sendo assim, o desenvolvimento de novas estratégias

visando melhorar ainda mais o desempenho dos sensores eletroquímicos mostra-se

promissor. Estudos recentes sobre materiais nanoestruturados têm oferecido excelentes

oportunidades para construção de novos sensores eletroquímicos. Em especial, os

nanomateriais de carbono, vêm ganhando destaque e sendo continuamente descritos na

literatura devido às suas estruturas e propriedades como, por exemplo, excelente

condutividade térmica e elétrica, forte capacidade de adsorção, alto efeito eletrocatalítico,

alta biocompatibilidade e alta área superficial, o que possibilita o desenvolvimento de

sensores com baixo limite de detecção e alta sensibilidade. Portanto, o objetivo dessa

monografia foi realizar uma revisão bibliográfica da literatura recente sobre as aplicações de

sensores eletroquímicos modificados com nanomateriais de carbono, em especial,

nanotubos de carbono, grafeno e fulereno, para análise de fármacos e compostos de

interesse clínico, tendo em vista os bons resultados que esses materiais têm proporcionado

e as características promissoras que apresentam para o desenvolvimento de sensores

eletroquímicos.

SUMÁRIO

1. Introdução .......................................................................................................................... 1

2. Objetivos ............................................................................................................................ 3

3. Nanomateriais de carbono.................................................................................................. 3

3.1 Grafeno ..................................................................................................................... 5

3.1.1 Principais propriedades do grafeno ................................................................. 5

3.1.2 Métodos de síntese do grafeno ....................................................................... 6

3.1.3 Emprego de grafeno no desenvolvimento de sensores eletroquímicos ........... 9

3.2 Nanotubos de Carbono ............................................................................................ 13

3.2.1 Principais propriedades dos nanotubos de carbono ...................................... 13

3.2.2 Métodos de síntese dos nanotubos de carbono ............................................ 15

3.2.3 Emprego de NTC no desenvolvimento de sensores eletroquímicos ............. 16

3.3 Fulereno .................................................................................................................. 20

3.3.1 Principais propriedades do fulereno .............................................................. 20

3.3.2 Métodos de síntese do fulereno .................................................................... 21

3.3.3 Emprego de fulereno no desenvolvimento de sensores eletroquímicos ........ 23

4. Considerações finais ........................................................................................................ 25

5. Referências bibliográficas ................................................................................................ 26

Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2017

1

1. INTRODUÇÃO

A análise de fármacos é essencial desde o desenvolvimento, até os estudos de

estabilidade e controle de qualidade, enquanto a análise de compostos de interesse clínico

possibilita a indicação de um diagnóstico mais preciso e efetivo. Ambas investigações

requerem métodos analíticos sensíveis, eficazes e confiáveis, para garantir a qualidade do

medicamento e a boa saúde do paciente.

Vários métodos analíticos são usados rotineiramente para quantificação de fármacos

e compostos de interesse clínico.1-3 Dentre esses métodos, a cromatografia líquida de alta

eficiência (HPLC),4 cromatografia gasosa,5 espectroscopia no UV-Vis6 e os ensaios

microbiológicos,7 são os mais comumente utilizados para garantir que as concentrações

adequadas dos fármacos sejam mantidas, evitando dosagens tóxicas de tais drogas, e para

verificar se a concentração nos fluidos biológicos de compostos como a glicose, por

exemplo, estão de acordo, ou não, com o esperado, de forma que essa informação possa

ser utilizada como um alerta para possíveis problemas de saúde.

No entanto, os métodos eletroanalíticos, em especial os sensores eletroquímicos,

têm se mostrado promissores para complementar as técnicas tradicionais devido à sua

versatilidade, portabilidade, possibilidade de miniaturização do sistema, sem comprometer a

sensibilidade e seletividade do mesmo, uso de instrumentos de baixo custo, quando

comparado com a instrumentação necessária para análises cromatográficas e

espectrofotométricas, por exemplo, além da rapidez das análises, baixo limite de detecção e

menor uso de reagentes.8

Os sensores eletroquímicos são dispositivos que permitem coletar e transformar uma

informação química, como a transferência de elétrons ou liberação de prótons, em um sinal

analiticamente útil, como a variação de corrente ou potencial. Estes sensores se destacam

devido à sua simplicidade, por possibilitarem a obtenção de informações com a manipulação

mínima do sistema estudado, por gerar baixo impacto ambiental e por permitirem análises

em tempo real.8

Outro fator que favorece o destaque dos sensores eletroquímicos é a possibilidade

da modificação da sua superfície, o que permite pré-estabelecer e controlar a natureza

físico-química da interface eletrodo/solução, alterando a reatividade do sensor base para

aprimorar ainda mais características como sensibilidade, seletividade e estabilidade,

favorecendo, assim, o desenvolvimento de eletrodos para vários fins e aplicações. Os

eletrodos obtidos a partir deste processo de modificação são denominados Eletrodos

Quimicamente Modificados (EQM’s).8,9


2

Deste modo, o funcionamento e a eficiência dos sensores eletroquímicos estão

diretamente relacionados com a interação do material reconhecedor (modificador) com a

substância de interesse, e com a capacidade dos elementos utilizados na transdução de

converter as energias do sinal químico gerado, por causa dessa interação, em um sinal

mensurável, que será transportado por um comunicador até o instrumento capaz de

quantificar o mesmo, como ilustrado na Figura 1.

Figura 1. Esquema dos principais componentes de um sensor eletroquímico.10

Para que o uso dos EQM’s seja justificado, a sensibilidade e/ou a seletividade do

sensor base deve aumentar com o emprego dos modificadores quimicamente ativos. Além

disso, a estabilidade do sensor deve ser preservada. A escolha do material do eletrodo base

é muito importante, uma vez que este deve apresentar características eletroquímicas

apropriadas e ser adequado para a imobilização do modificador na superfície do sensor.

Entre os materiais utilizados destacam-se: platina, ouro, carbono vítreo, pasta de carbono e

grafite pirolítico.10-14

Após a escolha do eletrodo base, o agente modificador pode ser introduzido por

diferentes métodos como, por exemplo: adsorção direta; ligação covalente a sítios

específicos da superfície do eletrodo devido à presença de alguns grupos funcionais;

recobrimento com filmes poliméricos, condutores ou permeáveis, ao eletrólito suporte e à

espécie de interesse; ou ainda, utilização de materiais compósitos que possibilitam a

modificação interna do material eletródico (ex. pasta de carbono). Nesse sentido, os

diferentes materiais do sensor base, os diversos modificadores e os variados métodos de

associá-los, proporcionam aos EQM’s diversas aplicações, que incluem o controle de

qualidade dos medicamentos e a determinação de compostos de interesse clínico.9

Dentre os materiais que podem ser utilizados como modificadores dos sensores

eletroquímicos, os nanomateriais de carbono vêm ganhando destaque e sendo

continuamente descritos na literatura15-17 devido às suas propriedades físico-químicas e


3

variações na condutividade, em função da adsorção de moléculas alvo facilmente

detectáveis, gerando sensores com baixo limite de detecção e alta sensibilidade.18-20

Diferentes nanoestruturas de carbono têm sido amplamente utilizadas na construção

de sensores e biossensores eletroquímicos como, por exemplo, grafeno,21 nanotubos de

carbono22 e fulereno23. Portanto, esta monografia destacará algumas aplicações recentes

de sensores eletroquímicos modificados com nanomateriais de carbono, tendo em vista os

bons resultados que esses materiais têm proporcionado e as características promissoras

que apresentam para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos.

2. OBJETIVOS

Realizar uma revisão bibliográfica da literatura recente sobre as aplicações de

sensores eletroquímicos modificados com nanomateriais de carbono, em especial, grafeno,

nanotubos de carbono e fulereno, para determinação de fármacos e compostos de interesse

clínico, bem como um levantamento das principais características e propriedades que esses

nanomateriais apresentam que os tornam tão atrativos e promissores para o

desenvolvimento de sensores eletroquímicos.

3. NANOMATERIAIS DE CARBONO

Nos dias de hoje, a utilização de diferentes materiais nas mais variadas ações do

nosso dia a dia como, dirigir um automóvel, acender uma lâmpada, fazer uma ligação no

celular, ou, assistir a um programa de TV, tornou-se algo tão comum e bem estabelecido,

que não nos questionamos como seria a nossa vida se esses materiais não tivessem sido

desenvolvidos.

De modo geral, toda substância, ou mistura de substâncias, que apresentam

propriedades que as tornam úteis para serem aplicadas no desenvolvimento de dispositivos,

produtos e máquinas, podem ser classificadas como materiais. Nos últimos anos do

século XX, o surgimento de uma nova classe de materiais possibilitou uma verdadeira

revolução científica e tecnológica, levando à consolidação de toda uma área de

conhecimento: Nanociência e Nanotecnologia. Essa área de conhecimento baseia-se no

estudo de materiais constituídos por partículas na ordem de nanômetros, que hoje são

reconhecidos como nanomateriais. 24

Atualmente, a nanociência e a nanotecnologia já ultrapassaram os limites das

pesquisas realizadas nas universidades, chegando até as indústrias e rapidamente atingindo

o público em geral. Em virtude da sua grande interdisciplinaridade, essa nova área de


4

conhecimento possibilitou que químicos, físicos, matemáticos, médicos, ambientalistas,

dentre outros, compartilhassem seus conhecimentos em busca da compreensão dos novos

fenômenos observados, visando a geração de novos produtos com potencial de aplicação

nos diferentes setores da atividade humana.24,25

A grande essência da nanociência e nanotecnologia consiste no fato de que as

propriedades dos materiais (ópticas, magnéticas, elétricas, catalíticas, etc.) dependem não

só da sua composição e da sua estrutura, mas também do seu formato e tamanho,

chamado tamanho crítico. Dessa maneira, quando as partículas desse material estão abaixo

desse tamanho crítico (nesse caso na ordem de alguns nanômetros) as propriedades do

material se diferenciam das propriedades observadas para o mesmo em escala

macroscópica, possibilitando, como consequência, a preparação de novos materiais apenas

com o controle do tamanho e da forma das suas partículas.25

Dentre os novos materiais desenvolvidos, devido ao avanço da nanociência e

nanotecnologia, os nanomateriais de carbono merecem destaque por serem considerados

versáteis, não tóxicos, garantindo baixo risco no manuseio e armazenagem, além da própria

riqueza e diversidade do carbono, que é o elemento químico considerado símbolo da vida e

está presente em milhares de compostos.25 Além disso, as descobertas do fulereno em

1985, por Kroto, Smalley e Curl;26 dos nanotubos de carbono em 1991, por Iijima e

colaboradores27 e o isolamento e caracterização do grafeno,28 em 2004, abriram novas

possibilidades na química e na física do carbono e possibilitaram que o interesse pelos

nanomateriais de carbono crescesse ainda mais.

A Figura 2 apresenta uma breve linha do tempo contendo informações sobre o ano

da descoberta e as principais premiações dos trabalhos relacionados às nanoestruturas de

carbono. Essas informações serão detalhadas nos tópicos seguintes iniciando pelo grafeno

por ser um material precursor para a obtenção dos nanotubos e do fulereno.

Figura 2. Linha do tempo – Nanomateriais de carbono.


5

3.1 Grafeno

3.1.1 Principais propriedades do grafeno

O grafeno (Figura 3a) é o alótropo de carbono da família dos nanomateriais que foi

isolado mais recentemente. Antes de ser isolado, o grafeno era considerado um material

puramente teórico servindo apenas para explicar a formação das outras formas alotrópicas

do carbono como, por exemplo, grafite, nanotubos e fulereno (Figura 3).

O termo grafeno surgiu em 1962, ano em que esse material foi observado de fato

pela primeira vez pelos químicos alemães Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm, que o

batizaram como grafeno devido à junção de grafite com o sufixo -eno relacionado as

ligações duplas existentes.29

No entanto, foi somente em 2004 que o grafeno foi isolado e caracterizado pela

primeira vez pelos pesquisadores Geim e Novoselov da Universidade de Manchester, por

meio da esfoliação mecânica de folhas de grafeno em camadas individuais a partir de

pequenas placas de grafite pirolítico.28

Novoselov, Geim e colaboradores foram melhorando cada vez mais a eficiência do

material obtido, aprimorando a sua condutividade e tornando-o mais fino até chegar à

espessura de um átomo.28,30 Para a surpresa dos pesquisadores o material ultrafino não só

apresentava uma estrutura de monocamada plana de átomos de carbono ligados por meio

de uma organização hexagonal, semelhantes ao favo de mel, como apresentava excelente

condutividade térmica e elétrica, boa resistência mecânica, sendo leve, flexível e

apresentando uma grande área superficial específica.29

Figura 3. Representação esquemática: a) Grafeno (material 2D) usado como precursor para a

construção de materiais de carbono de outras dimensionalidades, como b) Fulereno; c) Nanotubos; e

d) Grafite.30


6

Todas essas excelentes propriedades observadas no grafeno estão diretamente

relacionadas com a estrutura desse material. O grafeno é formado por átomos de carbono

que apresentam hibridização sp2 em um sistema de ligações conjugada, arranjados em

monocamadas em uma estrutura de duas dimensões. Os elétrons de uma monocamada de

grafeno podem chegar a se deslocar em uma velocidade de até 106 m s-1, fazendo com que

esse material apresente excelente condutividade elétrica (até 2.104 S cm-1); uma mobilidade

eletrônica até cem vezes maior do que a do silício (2.105 cm2 V-1 s-1) e condutividade

térmica, em temperatura ambiente, de até 5000 W m-1 K-1 (em comparação, a do cobre é

400 W m-1 K-1). Além disso, o grafeno também apresenta uma área superficial muito elevada

(2600 m2 g-1), maior do que as observadas para materiais como o grafite (10 m2 g-1) e

nanotubos de carbono (1300 m2 g-1). 29,30,31

Entretanto, as propriedades eletrônicas do grafeno mudam com o número de

camadas e com a posição relativa dos átomos em camadas adjacentes determinada pela

ordem de empilhamento. Portanto, o grafeno não deve ser considerado como um único

material, mas sim como uma família de compostos que podem ser formados por uma única

camada de átomos (folha monoatômica), até materiais formados por duas, três, quatro, etc,

folhas de grafeno empilhadas de forma organizada. Sendo assim, a estrutura eletrônica do

grafeno apresenta diferentes acoplamentos com o aumento do número de camadas até o

limite de 10 a 20 camadas (limite 3D) quando o material passa a ser considerado o grafite.30

A soma de todas essas características e propriedades notáveis tornam o grafeno um

material promissor para aplicações que vão desde materiais polímero-compósitos, até

transistores, eletrodos destinados ao armazenamento de energia eletroquímica,

supercapacitores, material de eletrodo em baterias de íons de lítio, aplicações foto-

eletroquímicas e no desenvolvimento de sensores e biossensores eletroquímicos.25,29,30,31

3.1.2 Métodos de síntese do grafeno

Com o passar dos anos, novas pesquisas foram sendo realizadas e a partir delas

novos métodos para a produção do grafeno foram desenvolvidos. De acordo com a

aplicação de interesse e da qualidade do produto final que deseja-se obter, um ou mais

métodos podem ser empregados. No entanto, dentre os métodos existentes os mais

comuns são a esfoliação mecânica, esfoliação química, a deposição química em fase vapor

e a redução térmica. 29,32

A esfoliação mecânica é o método que possibilitou o isolamento do grafeno pela

primeira vez e que é utilizado até hoje. Nesse método, é utilizado uma fita adesiva

repetidamente para realizar a esfoliação do grafite de alta pureza. Em seguida, alguns flocos


7

capturados são transferidos para a superfície de um disco de silício/óxido de silício sendo

possível verificar a existência do grafeno por meio de um microscópio atômico.27 Esta

abordagem apresenta boa confiabilidade e proporciona a obtenção de amostras de grafeno

que são praticamente livres de defeitos. Entretanto, a sua principal desvantagem é que ela

não possibilita a produção de grafeno em larga escala.

Já a esfoliação química, ou redução química, envolve a conversão de grafite a

grafeno, por meio da introdução de grupos funcionais contendo oxigênio, ao reagir o grafite

com agentes oxidantes fortes como ácido sulfúrico, ou, ácido nítrico. Essa reação forma o

óxido de grafite, que posteriormente é reduzido quimicamente a grafeno utilizando

compostos redutores como, por exemplo, a hidrazina ou boro-hidreto de sódio. A esfoliação

química do grafite à grafeno é possível uma vez que a adição de grupos, tais como: OH

e COOH, por oxidação química, reduzem as forças de Van der Waals, responsáveis por

manter as folhas de grafeno na estrutura do grafite, possibilitando que a separação ocorra

(Figura 4).33 A principal vantagem desse método é a possibilidade de obtenção de grafeno

com uma boa uniformidade e excelente rendimento, quando comparado aos métodos

mecânicos, possibilitando seu uso para obtenção de grafeno em larga escala.34

Figura 4. Representação esquemática da obtenção do grafeno por meio do método de esfoliação

química. (figura adaptada da ref. 25)

A deposição química de vapor (do inglês, Chemical Vapor Deposition – CVD) é uma

técnica que possibilita a obtenção de filmes finos de vários materiais como, por exemplo,

cerâmicos, metálicos ou semicondutores, sobre a superfície de diferentes substratos a partir

de uma fase gasosa. Para a preparação do grafeno por esse método, ocorre a pirólise de

compostos precursores, como hidrocarbonetos, sobre a superfície de catalisadores


8

metálicos à altas temperaturas até a formação da estrutura grafítica a partir dos átomos de

carbono previamente dissociados.32 Deste modo, por meio da decomposição térmica de

hidrocarbonetos ou segregação de átomos de carbono sobre a superfície de catalisadores

metálicos como Ni, Pt, Ru, Ir,35-39 entre outros, seguida de um processo de resfriamento, as

espécies de carbono precipitam sobre a superfície do metal ocorrendo a nucleação e o

crescimento para formar o grafeno, como ilustrado na Figura 5, sendo que o número das

camadas de grafeno formadas dependem diretamente da taxa de resfriamento.32

Figura 5. Representação esquemática da obtenção do grafeno por meio do método de deposição

química de vapor. (figura adaptada da ref. 39)

Por fim, assim como na esfoliação química, na redução térmica os flocos de grafite

são tratados com um agente oxidante forte, normalmente uma solução de ácido sulfúrico ou

ácido nítrico. Porém, a diferença entre esses dois métodos é que na redução térmica, ao

invés de utilizar um agente redutor, o óxido de grafite sofre um aquecimento extremamente

rápido (> 2000 °C min-1) fazendo com que suas folhas sejam divididas devido principalmente

à expansão do CO2, aumentando a pressão entre as camadas. Quando essa pressão

excede as forças de Van der Waals, que mantém as camadas unidas, o óxido de grafite se

divide em folhas individuais de grafeno. Para obter informações acerca da viabilidade do

processo são utilizados indicadores como o aumento do volume e o aumento da área

superficial.29

Portanto, por ser um material que apresenta excelente biocompatibilidade,

possibilitando a detecção de uma grande variedade de analitos (incluindo compostos

orgânicos, inorgânicos e moléculas biológicas), elevada área superficial e ótima estabilidade

e condutividade elétrica, o grafeno é um material que vem sendo amplamente descrito na

literatura no desenvolvimento de sensores e biossensores com excelente sensibilidade e

seletividade, como será apresentado no tópico a seguir.


9

3.1.3 Emprego de grafeno no desenvolvimento de sensores

eletroquímicos

Nos últimos anos, vários sensores e biossensores à base de grafeno, ou materiais

relacionados ao grafeno como o óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido, têm sido

relatados na literatura para diversas aplicações como: Análises de interesse ambiental na

detecção de íons metálicos como Pb2+ e Cd2+ e análise de pesticidas, por exemplo; além de

análises alimentícias; aplicações clínicas, como na detecção de glicose, ácido ascórbico,

ácido úrico; e na análise de fármacos.40

Para garantir a qualidade dos resultados obtidos e validar o método analítico, os

sensores e biossensores desenvolvidos são normalmente avaliados quanto a alguns

parâmetros que determinam o seu desempenho analítico tais como sensibilidade,

seletividade, limite de detecção e quantificação, repetibilidade, reprodutibilidade, entre

outros. Diferentes modificações de um mesmo eletrodo base podem gerar sensores com

diferentes especificidades para um determinado analito, por isso todos esses parâmetros

devem ser previamente avaliados.40

Por apresentar elevada área superficial e propriedades eletrônicas específicas, como

apresentado anteriormente, o grafeno é extremamente sensível às mudanças do ambiente

ao qual esteja inserido, o que possibilita que qualquer perturbação molecular seja facilmente

detectada, fazendo com que esse material contribua para o desenvolvimento de sensores

eletroquímicos aprimorados e altamente sensíveis.40,41

Além disso, o grafeno pode formar compósitos com outros materiais como, por

exemplo, polímeros, nanopartículas e biomoléculas, como DNA e enzimas, por meio de

adsorção física ou ligação química. Como resultado, a partir da combinação das

propriedades térmicas, elétricas, ópticas e mecânicas do grafeno com as propriedades e

funções de diversos outros componentes, novos materiais e sistemas analíticos inovadores

podem ser criados, proporcionando novas oportunidades para o progresso sustentável das

análises químicas.40,41

Papakonstantinou e colaboradores,42 foram um dos primeiros pesquisadores a

desenvolver um sensor eletroquímico à base de grafeno. Para obtenção do grafeno, os

pesquisadores utilizaram o método de deposição química em fase vapor que demonstrou

ser um método simples e eficiente para produção dos filmes de grafeno com alta taxa de

crescimento sobre a superfície da sílica, que foi o substrato utilizado. O sensor proposto

exibiu uma rápida cinética de transferência de elétrons bem como um bom desempenho

para determinação simultânea de dopamina (DA), ácido ascórbico (AA) e ácido úrico (AU),


10

apresentando um limite de detecção de 0,17 µmol L-1 para DA, mesmo na presença de

agentes interferentes.

Com o passar dos anos outros trabalhos utilizando sensores à base de grafeno

foram sendo desenvolvidos43,46-57. Entre eles, novos sensores foram propostos para

determinação simultânea de dopamina, ácido ascórbico e ácido úrico devido à importância

dessas moléculas para processos fisiológicos no metabolismo humano e pelo fato de que a

análise desses compostos nos fluidos corporais (soro e urina) é um indicador de diagnóstico

muito valioso.38

Em 2014, Jiang et. al.43 desenvolveram um sensor eletroquímico a base de um

eletrodo de carbono vítreo (ECV) modificado com um nanocompósito de ouro (Au), paládio

(Pd) e óxido de grafeno reduzido (OGR), para determinação individual e simultânea de AA,

DA e AU (Figura 6). Como resultado, para detecção individual, o sensor apresentou uma

ampla faixa linear de resposta, 0,1–1000; 0,01–100; e 0,02–500 µmol L-1, e limites de

detecção de 0,02; 0,002; e 0,005 µmol L-1 para AA, DA e AU, respectivamente. Na detecção

simultânea, o sensor apresentou picos de oxidação separados e bem definidos. Além disso,

o sensor foi aplicado em uma amostra de urina, tendo apresentado boa sensibilidade e

seletividade para determinação de AA, AU e DA. A boa resposta em termos de sensibilidade

e seletividade do ECV modificado com Au-Pd-OGR pode ser explicada devido à presença

de alguns grupos funcionais oxigenados na superfície do óxido de grafeno reduzido,

aumentando assim a sua condutividade elétrica e a sua biocompatibilidade, além da

excelente atividade eletrocatalítica exercida pelas nanopartículas de Au e Pd.

Figura 6. Esquema ilustrativo para : a) preparação do nanocompósito Au-Pd-OGR; b) ECV

modificado aplicado na determinação simultânea de AA, DA e AU. (figura adaptada da ref. 43)


11

Outra importante aplicação na área de análises clínicas, que o grafeno têm sido

utilizado, é no desenvolvimento de imunossensores, que é um tipo de biossensor baseado

na detecção de uma reação imunológica entre antígenos e anticorpos.45 A α-fetoproteína

(AFP), por exemplo, é uma glicoproteína sintetizada pelo fígado que é considerada o

principal biomarcador tumoral para o câncer de fígado. Esse composto é a principal proteína

do soro fetal. Logo após o nascimento, os bebês apresentam níveis relativamente elevados

de AFP, que diminuem até a criança completar um ano de idade. No entanto, testes de

sangue para medir a taxa de AFP em mulheres grávidas também podem indicar algum tipo

de malformação congênita.45 Portanto, o desenvolvimento de métodos eficazes para

determinação desse composto é de extrema importância. Os estudos de Zhao et. al.,46

mostraram o desenvolvimento de um imunossensor eletroquímico à base de folhas de

grafeno para análise de AFP. Como eletrodo de trabalho foi utilizado um eletrodo de

carbono vítreo modificado com grafeno e, novamente, nanopartículas de Au-Pd, que

substituíram as enzimas que são utilizadas convencionalmente. Ao final das análises, o

imunossensor não enzimático apresentou uma faixa linear de resposta considerável (0,05 a

30 ng mL-1) e um limite de detecção de 5 pg mL-1, sendo considerada adequada a sua

aplicação como protocolo genérico em pesquisas clínicas.

Além dos sensores a base de grafeno desenvolvidos para análise de compostos de

interesse clínico, como os exemplos citados anteriormente, vários artigos vêm sendo

publicados sobre o emprego de eletrodos modificados com grafeno para a análise de

fármacos.

O paracetamol (PA), N-acetil-p-aminofenol, é um medicamento analgésico e

antipirético vastamente utilizado no mundo inteiro para a redução da febre, dor de cabeça,

artrite e dores pós operatória. Em doses terapêuticas habituais esse medicamento é

metabolizado completamente e é eliminado na urina. Porém, o consumo de doses elevadas

de paracetamol pode provocar sérias lesões hepáticas, inflamação do pâncreas e

insuficiência renal. Recentemente, em 2016, Kesavan e John,47 prepararam um sensor por

meio da redução eletroquímica do óxido de grafeno (OG) ligado por meio da 2,4-diamino-

1,3,5-triazina (aminotriazina – AT) na superfície do eletrodo de carbono vítreo e aplicaram

esse eletrodo na determinação de paracetamol na presença de ácido úrico, que é um

importante agente de interferência para a determinação da PA na urina humana. O eletrodo

modificado (ECV-OG-AT) apresentou excelente atividade eletrocatalítica para determinação

simultânea de PA e AU, separando com sucesso os sinais voltamétricos de ambos, sendo

possível a determinação de PA mesmo em concentrações mais elevadas de AU (até 50

vezes mais concentrado). A faixa linear de resposta encontrada para o sensor proposto foi

de 0,04 – 100 µmol L-1 e o limite de detecção foi de 0,68 nmol L-1. A aplicação prática desse


12

sensor também foi demonstrada ao determinar simultaneamente as concentrações de PA e

AU em amostras de urina humana.

Inúmeros outros trabalhos envolvendo sensores e biossensores eletroquímicos

utilizando grafeno, óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido têm sido constantemente

descritos na literatura recente para determinação de fármacos e compostos de interesse

clínico. A Tabela 1 apresenta alguns exemplos destacando o analito de interesse, o

eletrodo, a modificação utilizada e o limite de detecção obtidos.

Tabela 1. Exemplos de sensores eletroquímicos baseados em grafeno descritos na literatura recente.

Analito Eletrodo Modificador Amostra LD (mol L-1) Ref

Piroxicam e

Nimesulida

Carbono vítreo OGR / PEDOT:

PSS

Fármaco 1,0x10-7 - PIR;

2,4x10-9 - NIM

48

L-Dopa Carbono vítreo Glicina e OGR Fármaco/ urina 1,5x10-7 49

AA, DA, AU Carbono vítreo OGR -Pd-Au Soro sanguíneo/

urina

1,2x10-7 – AA;

2,5x10-6 – DA;

7,5x10-5 – AU.

50

Omeprazol Carbono vítreo OG - NiZnFe2O4 Fármaco/ sangue 1,5x10-8 51

Tramadol/

acetaminofeno

Pasta de

carbono

NiFe2O4/Grafeno Fármaco 3,6x10-9/

3,0x10-9

52

Glicose Carbono vítreo OG – MIP Soro sanguíneo 1,0x10-8 53

Cloridrato de

Gencitabina

Carbono vítreo OG-Bi Fármaco 5,0x10-8 54

Codeína Pasta de

carbono

CoFe2O4/Grafeno Fármaco/ plasma

sanguíneo/ urina

1,1x10-8 55

*OGR – Óxido de Grafeno Reduzido/ PEDOT - poli(3,4-etilenodioxitiofeno)/ PSS - poli (4-

estireno sulfonato)/ PIR – Piroxicam/ NIM – Nimesulida/ OG – Óxido de Grafeno/ MIP – Polímero

Molecularmente Impresso/ AA – Ácido Ascórbico/ DA – Dopamina/ AU – Ácido Úrico.


13

3.2 Nanotubos de Carbono

3.2.1 Principais propriedades dos nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono são nanomateriais formados a partir de uma, ou mais,

folhas de grafeno enroladas de forma cilíndrica a partir do seu próprio eixo, formando

estruturas tubulares com diâmetro na faixa de nanômetros e comprimento que pode variar

de micrometros até centímetros. A primeira evidência da natureza tubular de alguns

filamentos de carbono, em tamanho nano, foi relatada em um artigo russo em 1952.56

Entretanto, esse artigo não é muito conhecido e nem citado devido às dificuldades de

acesso, por cientistas ocidentais, às publicações russas da época em consequência da

guerra fria.57

Em 1978, Wiles e Abrahamson,58 também observaram fibras de grafite enroladas em

camadas com um centro oco. No entanto, foi somente em 1991, no trabalho desenvolvido

por Iijima,27 que essas fibras ficaram conhecidas como Nanotubos de Carbono (NTC).

Portanto, mesmo existindo relatos anteriores, a comunidade científica considera o trabalho

de Iijima como sendo a primeira descrição dos NTC, uma vez que, além da descrição desse

material, foi realizado pela primeira vez um estudo estrutural completo.25

Atualmente, o termo “nanotubos de carbono” corresponde, assim como o grafeno, a

uma família de compostos que podem apresentar características diferentes entre si.

Conceitualmente, em um primeiro momento, os NTC podem ser divididos em dois grupos:

Nanotubos de carbono de paredes simples (NTCPS), Figura 7a, e Nanotubos de Carbono

de Paredes Múltiplas (NTCPM), Figura 7b. Os NTCPS são constituídos por apenas uma

única folha de grafeno e apresentam diâmetro variando de 1 a 5 nm. Entretanto, os métodos

de síntese empregados atualmente, produzem apenas uma pequena fração de NTCPS,

aumentando o seu custo e dificultando sua aplicação em grande escala. Já os NTCPM são

formados por um conjunto, de duas ou mais, folhas de grafeno enroladas de maneira

concêntrica em uma distância de 0,34 nm entre si, podendo apresentar diâmetros de 10 a

50 nm.24,25

Figura 7. Estruturas dos Nanotubos de Carbono: a) NTCPS; b) NTCPM.24


14

Pra formar os nanotubos, uma folha de grafeno é enrolada de tal forma que dois

sítios da sua rede hexagonal, cristalograficamente equivalentes, se coincidam. Dependendo

da maneira como a folha de grafeno se enrola, os NTCPS podem apresentar diferentes

geometrias e propriedades. Desta maneira, as propriedades elétricas dos nanotubos de

carbono dependem de como os hexágonos são orientados ao longo do eixo do tubo. Os

NTCPS podem ser classificados portanto, dependendo das três orientações possíveis:

armchair, zigzag e chiral (Figura 8). Os nanotubos do tipo armchair apresentam

propriedades eletrônicas semelhantes às dos metais, enquanto os zig-zag e chiral podem

apresentar características tanto metálicas, quanto semicondutoras.60

Figura 8. Geometrias de NTCPS perfeitos: (a) armchair; (b) zig-zag; (c) chiral.60

Em relação aos NTCPM, as propriedades eletrônicas que esses materiais

apresentam são semelhantes às observadas nos NTCPS por causa do acoplamento fraco

entre os cilindros de carbono concêntrico. Alguns estudos descrevem que o transporte

eletrônico nos nanotubos de carbono (tanto NTCPS como NTCPM) ocorre de forma

balística, ou seja, sem espalhamento, possibilitando excelente condução elétrica através de

grandes extensões dos nanotubos.59

Por consequência da estrutura que apresentam, os nanotubos de carbono possuem

diversas propriedades atrativas e promissoras para diversas aplicações. A força da ligação

Csp2 – Csp2, confere aos NTC alta resistência química e mecânica. No entanto, mesmo

apresentando uma das estruturas mais robustas conhecidas, esse material denota alta

flexibilidade, podendo ser tensionado e dobrado, sem que ocorra a destruição da sua

estrutura. Além disso, os NTC apresentam uma força de tensão cem vezes maior do que a

do aço e excelente condutividade térmica e elétrica. Todas essas propriedades em conjunto


15

em uma única classe de material fazem com que os NTC sejam considerados nos dias de

hoje um dos componentes mais utilizados no desenvolvimento da nanociência e

nanotecnologia, tendo um potencial de aplicação em vários sistemas, produtos e

dispositivos como, por exemplo, emissores de elétrons para televisores; em compósitos com

polímeros, cerâmicas e metais; em diodos; em transistores; em dispositivos fotovoltaicos;

em memórias de computador e no desenvolvimento de sensores e biossensores

eletroquímicos.24,25

3.2.2 Métodos de síntese dos nanotubos de carbono

Existem três métodos que são mais utilizados para sintetizar nanotubos de carbono:

Descarga por arco elétrico; ablação a laser e deposição química de vapor (CVD). Todos

esses métodos utilizam alguma fonte de carbono e energia para formar os nanotubos. Os

métodos de descarga por arco e ablação a laser baseiam-se na condensação dos átomos

de carbono que foram gerados previamente pela sublimação de um precursor sólido. A

temperatura necessária para realizar esses processos pode chegar entre 3000 a 4000 °C,

próxima à temperatura de fusão do grafite. O método de CVD, que também é utilizado para

a síntese do grafeno, como citado anteriormente, baseia-se na decomposição de gases

contendo átomos de carbono sobre um metal catalisador.60

O método de descarga por arco elétrico, que já era utilizado por vários

pesquisadores para a síntese de fulerenos, foi utilizado por Iijima na descoberta dos

primeiros nanotubos de carbono.27 Esse método será mais detalhado no tópico 3.3.2..

Normalmente, os NTC produzidos por descarga por arco elétrico apresentam um diâmetro

entre 0,6 a 1,2 nm.60,61

No método de ablação a laser, um bastão sólido de grafite é utilizado como fonte de

carbono e é colocado dentro de um tubo de quartzo que é levado para um forno com

temperatura controlada. O tubo é então preenchido por um gás inerte e o laser é focalizado

sobre o grafite. Em seguida, pulsos sucessivos de laser são usados como fonte de energia

para vaporizar uniformemente o carbono, enquanto o fluxo de gás inerte arrasta as espécies

geradas, depositando-as em um coletor cônico de cobre, localizado na extremidade oposta

do tubo (Figura 9), que é então resfriado por água para a obtenção dos NTC, que podem

chegar a apresentar um diâmetro de 10-20 nm.61


16

Figura 9. Configuração experimental para a produção de NTC usando a técnica ablação a laser.60

De todos os métodos de síntese dos nanotubos de carbono, o de deposição química

de vapor é o mais utilizado por possibilitar a produção de NTC em grande escala e por ser

relativamente barato.25 Como explicado anteriormente para o caso do grafeno, são utilizados

precursores de carbono (hidrocarbonetos, álcoois, etc.) em fornos com atmosfera controlada

e com temperatura alta o suficiente para fornecer a energia necessária para realizar a

decomposição dos hidrocarbonetos e formar nanotubos de carbono sobre a superfície de

um catalisador metálico. O papel do catalisador é fundamental para a obtenção dos NTC,

pois ele irá garantir o processo de nucleação e crescimento dos feixes de nanotubos. O

avanço das técnicas de caracterização (principalmente técnicas de microscopia eletrônica)

têm possibilitado uma maior compreensão das etapas de crescimento dos NTC e,

consequentemente, um maior controle da homogeneidade das amostras preparadas, bem

como controle na produção de NTCPS ou NTCPM.61

3.2.3 Emprego de NTC no desenvolvimento de sensores

eletroquímicos

A aplicação dos nanotubos de carbono no desenvolvimento de sensores

eletroquímicos altamente sensíveis para determinação dos mais diversos analitos como

gases, toxinas, fragmentos de DNA, várias biomoléculas, fármacos, dentre muitos outros,

vêm sendo continuamente descrita na literatura.64-76 O principal motivo para que isso ocorra

são as características adequadas que esse material apresenta para o desenvolvimento de

sensores eletroquímicos como, por exemplo, alta velocidade na transferência de elétrons,

alta área superficial e presença de grupos funcionais, que fazem com que os nanotubos de

carbono sejam desejáveis para a modificação com diversos tipos de espécies (enzimas,

material genético, complexos metálicos, entre outros) que podem ser incorporadas

melhorando ainda mais a transferência de elétrons, entre analito e eletrodo, possibilitando a

obtenção de uma boa resposta em pouco tempo.


17

Um dos primeiros trabalhos que utilizou nanotubos de carbono em eletroanálise foi

realizado por Britto e colaboradores em 1996.62 Nesse trabalho os nanotubos de carbono

foram utilizados em um eletrodo de pasta juntamente com o tribromometano (bromofórmio),

com o objetivo de avaliar o comportamento oxidativo da dopamina. Ao final dos estudos, os

pesquisadores concluem que o resultado obtido foi superior ao observado em outros

eletrodos de carbono, ilustrando assim, o potencial dos eletrodos a base de nanotubos de

carbono.

Mesmo que o trabalho desenvolvido por Britto et. al. tenha sido o primeiro a aplicar

nanotubos de carbono no desenvolvimento de sensores, foi somente em 2002 que ocorreu

um aumento significativo do interesse por esse material aplicado a eletroanálise com a

publicação do trabalho de Joseph Wang. Em seu trabalho Wang et. al.63 desenvolveram um

eletrodo de carbono vítreo modicado com nanotubos de carbono para detecção de NADH.

Como resultado, o sensor proposto apresentou uma excelente resposta eletrocatalítica e

alta estabilidade, permitindo assim a detecção amperométrica altamente sensível de NADH,

sugerindo grande potencial de aplicação dos NTC no desenvolvimento de sensores.63

Atualmente, esse trabalho já possui mais de 1000 citações, e é considerado por muitos o

marco para a aplicação de NTC no desenvolvimento de sensores e biossensores

eletroquímicos possibilitando que tantos outros trabalhos tenham sido, e estejam sendo,

desenvolvidos.

Outro exemplo de composto cuja determinação é de grande importância é a L -Dopa

(ou Levodopa) por ser o percursor imediato do neurotransmissor dopamina, sendo um dos

medicamentos mais utilizados no tratamento da doença de Parkinson. O mal de Parkinson

é uma doença neurológica que provoca tremores e dificuldades para se movimentar e se

coordenar devido à diminuição da produção da dopamina no organismo do paciente. Como

a dopamina não pode ser administrada via oral, pois não passa através da barreira da

corrente sanguínea, a L-Dopa é administrada por poder ser convertida em dopamina por

meio da ação da enzima dopa-descarboxilase, estimulando assim, a produção de dopamina

no corpo (Figura10). Considerando a grande importância desse medicamento Leite et. al.64

desenvolveram um sensor utilizando um eletrodo de grafite pirolítico (EGP) modificado com

cloro(piridina)bis(dimetilglioximato)cobalto(III), Co(DMG)2ClPy, adsorvido sobre nanotubos

de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) para determinação de L-Dopa em formulações

farmacêuticas. Os materiais foram caracterizados utilizando as técnicas de Microscopia

Eletrônica de Varredura (MEV) e espectroscopia no infravermelho. Ao final dos estudos o

sensor apresentou resposta linear no intervalo de concentração de 3 a 100 μmol L-1 e limite

de detecção de 0,86 μmol L-1, demonstrando que o sensor proposto é uma alternativa viável

para a determinação de L-Dopa em amostras farmacêuticas.


18

Figura 10. Biossíntese da dopamina a partir da L-Dopa.65

Recentemente, Majidi e colaboradores,66 desenvolveram um sensor para

determinação de triptofano (Trp) em amostras biológicas (urina, saliva e soro sanguíneo).

Para a realização desse estudo os pesquisadores utilizaram um eletrodo impresso de ouro

(do inglês screen-printed electrode – SPE) modificado com nanotubos de carbono de

paredes múltiplas (SPEAu – NTCPM) com aptâmeros de Trp imobilizadas sobre a superfície

desse sensor como ilustrado na Figura 11. Métodos analíticos sensíveis e eficazes para

determinação de triptofano em estudos clínicos e estudos médicos, particularmente, na

neurociência e oncologia, são extremamente importantes, uma vez que o Trp é um dos

aminoácidos essenciais para a vida humana. O nosso organismo não é capaz de sintetizar o

Trp, portanto este deve ser consumido por meio de uma dieta alimentar balanceada. Além

de participar da síntese proteica, o triptofano ajuda a regular diversos mecanismos

fisiológicos e pode ser encontrado na corrente sanguínea ou em proteínas transportadoras.

Além disso, atua como um precursor da serotonina e a sua carência pode causar insônia,

estresse, depressão e compulsão alimentar. Conhecendo a importância da determinação do

Trp em amostras biológicas Majidi et. al. conseguiram propor o desenvolvimento de um

sensor com excelente sensibilidade, seletividade e precisão para detecção de Trp em

amostras reais apresentando uma faixa linear de resposta de 1.0×10−11 a 1.0×10−4 mol L-1 e

limite de detecção de 4,9×10−12 mol L-1, sendo extremamente promissor a sua aplicação por

ser um sistema simples, eficaz, portátil e miniaturizado.

Figura 11. Eletrodo impresso de ouro modificado com: a) NTCPM; b) NTCPM e moléculas de aptâmero

específicas para o triptofano; c) sistema convencional e d) comparação dos três sistemas para a análise de Trp.66


19

Outros exemplos de trabalhos descritos na literatura sobre desenvolvimento de

sensores e biossensores a base de nanotubos de carbono para determinação de fármacos e

compostos de interesse clínico estão apresentados na Tabela 2.

Tabela 2. Exemplos de sensores eletroquímicos baseados em NTC descritos na literatura recente.


Carvedilol Carbono vítreo NTCPM / MIP Fármaco 1,6x10-5 67

Metronidazol Carbono vítreo NTCPM / CTS-Ni Fármaco/ soro

sanguíneo/ urina

2,5x10-8 68

Bromhexina Platina NTCPM / NiNPs Fármaco 3,0x10-6 69

Cisplatina Eletrodo

impresso

NTCPM-COOH Fármaco 4,6x10-6 70

Prometazina Pasta de

carbono

NTCPM/SiAlNb/DNA Fármaco 5,9x10-6 71

Sulfato de

gentamicina

Pasta de

carbono

NTCPM Fármaco/ soro

sanguíneo/ urina

2,2x10-7 72

Glicose/Albumina Carbono vítreo NTCPM-PEI-Cu Fármaco/ bebidas 1,8 x10-7 73

Acetaminofeno

(Paracetamol)

Carbono vítreo NTCPM-β-

ciclodextrina

Fármaco/ urina 1,5x10-8 74

hidroclorotiazida

e maleato de

enalapril

Pasta de

Carbono

NTCPM Fármaco 1,4x10-8 HTZ;

4,1x10-8 - ENP

75

Dopamina Carbono Vítreo NTCPM/ HRP Fármaco 2,0x10-6 76

*NTCPM – Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas / NTC – Nanotubos de carbono/ MIP– Polímero Molecularmente Impresso/ CTS-Ni – Complexo de quitosano-níquel/ NiNPs – Nanopartículas de Níquel/ PEI – Polietilenimina/ HTZ – Hidroclorotiazida/ ENP – Maleato de Enalapril/ HRP - Horseradish Peroxidase.


20

3.3 Fulereno

3.3.1 Principais propriedades do fulereno

Outro exemplo de alótropo de carbono em escala nano são os fulerenos. Ao

contrário dos outros alótropos, os fulerenos apresentam-se na forma molecular, sendo

considerados moléculas nanométricas esferoidais constituídas apenas por átomos de

carbono.22 Desde 1966 cálculos teóricos demonstravam a possibilidade da existência de

“gaiolas” formadas apenas por átomos de carbono. Entretanto, apenas em 1985 que a

existência dos fulerenos foi de fato comprovada no trabalho realizado por Harold W. Kroto,

Robert F. Curl e Richard E. Smalley.26

A descoberta dos fulerenos tornou-se possível devido ao interesse de Kroto pelo

estudo mecânico quântico de certas cadeias carbônicas (poliinas,...CC–CC...) e de tentar

reproduzir as condições interestelares para comprovar a existência dessas grandes cadeias

carbônicas no espaço.77 Para isso, com a ajuda de Curl e Smalley, Kroto realizou um

experimento no qual uma placa de grafite foi submetida a um laser pulsado de alta

frequência formando aglomerados que posteriormente foram analisados por espectrometria

de massas.77,78

Ao final desse experimento foi observado a formação de moléculas com 60 átomos

de carbono, levando os pesquisadores a se perguntarem qual estrutura molecular poderia

dar tanta estabilidade a essas moléculas. Depois de algumas sugestões, Kroto teve a ideia

de organizar os átomos na mesma forma dos domos geodésicos idealizados pelo arquiteto

Richard Buckminster Fuller, em que faces hexagonais constroem uma estrutura esférica

devido à combinação com pentágonos. Dessa forma a estrutura do C60 foi definida como um

poliedro de 32 faces, sendo 20 hexagonais e 12 pentagonais, e foi batizada como

buckminsterfulereno em homenagem ao arquiteto americano.77

Atualmente, outras formas estáveis do fulereno já foram isoladas como, C20, C70, C78

e C84, por exemplo. Porém, de todas essas formas, o fulereno C60 é o mais abundante e

mais estável, apresentando ligações entre os anéis de seis membros e ligações simples

entre os anéis de cinco membros como ilustrado na Figura 12.


21

Figura 12. Representação esquemática (2D e 3D) da estrutura do fulereno C60.78

Por meio de todos os estudos que já foram realizados sobre o fulereno, uma das

descobertas mais admiráveis é a capacidade que a molécula de C60 tem de receber de um a

seis elétrons, mesmo já sendo rica em elétrons, formando ânions correspondentes. Esse

fato só é possível porque os orbitais moleculares LUMO não ligantes da molécula C60 se

encontram em um patamar muito baixo em energia. Outras propriedades interessantes que

os fulerenos apresentam são: a boa estabilidade química, grande área superficial, alta

resistência mecânica e capacidade de se tornar um supercondutor quando combinado com

metais alcalinos, fazendo com que esse material seja promissor para diversos tipos de

aplicações como, por exemplo, aplicações fotovoltaicas, biomédicas, transporte de antivirais,

quimioterápicos. antibióticos, e no desenvolvimento de sensores. 78

3.3.2 Métodos de síntese do fulereno

Mesmo com a descoberta dos fulerenos em 1985, o desenvolvimento de um método

para síntese de C60 em quantidades macroscópicas ocorreu somente em 1990 com o

trabalho realizado por Krätschmer e colaboradores,80 possibilitando a obtenção de

quantidades suficientes para que as propriedades químicas dos fulerenos pudessem

começar a serem exploradas.

O método desenvolvido por Krätschmer era muito semelhante ao método de

descarga por arco elétrico, que também foi utilizado por Iijima durante as primeiras sínteses

dos nanotubos de carbono, como mencionado anteriormente. Esse método consiste na

aplicação de uma diferença de potencial entre dois eletrodos de grafite a uma distância

suficientemente pequena, dentro de uma câmara de aço em atmosfera inerte (geralmente Ar

ou He) e baixa pressão, de maneira que ocorra a formação de um arco elétrico entre os

eletrodos, ionizando o gás ao redor e gerando um plasma entre os eletrodos. Assim, à

medida que os elétrons são acelerados contra o anodo, ocorre a colisão com átomos de

carbono da superfície do eletrodo transferindo energia suficiente para arrancá-los, de

maneira que os átomos de carbono atravessem o plasma e percam energia cinética, devido


22

às colisões com os átomos do gás da atmosfera inerte, o que possibilita a formação de

novas cadeias de grafite sobre a superfície do outro eletrodo (catodo).78,79 A Figura 13 ilustra

a configuração experimental do método de descarga por arco elétrico.

Figura 13. Representação esquemática do processo de descarga por arco elétrico. (figura adaptada

da ref. 83)

O método de descarga por arco elétrico é até hoje um dos mais citados na literatura

para a síntese de fulerenos. No entanto, além desse método outra técnica que pode ser

utilizada para síntese de fulerenos é a ablação a laser.79 Esse método também pode ser

utilizado para síntese de outras nanoestruturas de carbono como os NTC, por exemplo

(tópico 3.2.2).

Por fim, na técnica de pirólise, ou, técnica de chama laminar para produção de

fulerenos é realizado a queima de uma mistura de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos

(PAHs) com um fluxo laminar de oxigênio misturado a um gás inerte à baixa pressão. No

final do processo, a fuligem gerada após a queima contém fulerenos e é então bombeada

para fora do sistema e capturado por filtros. Esse método têm ganhado bastante destaque e

atraído a atenção de pesquisadores no mundo inteiro devido a possibilidade de ser utilizada

para produção de fulerenos em larga escala.79

Desta maneira, devido ao avanço dos métodos de produção dos fulerenos esse

material passou a ser mais explorado e o número de sensores eletroquímicos empregando o

fulereno para detecção de diferentes analitos aumentou consideravelmente graças às

propriedades eletrocatalíticas que esse material apresenta contribuindo, especialmente,

para o aumento da sensibilidade e seletividade dos sensores base, como será abordado no

tópico a seguir.


23

3.3.3 Emprego de fulereno no desenvolvimento de sensores

eletroquímicos

Os fulerenos apresentam diversas propriedades que os tornam um material

extremamente atrativo para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos. Recentemente,

Rahimi-Nasrabadi et. al.82 desenvolveram um sensor a base de eletrodo de carbono vítreo

modificado com um compósito a base de fulereno (C60) e nanotubos de carbono para

determinação de diazepam em amostras reais como soro sanguíneo, urina e formulações

farmacêuticas.

As benzodiazepinas são substâncias químicas que possuem importantes aplicações

medicinais devido às propriedade sedativas e anticonvulsivantes que apresentam, sendo

normalmente prescritas para o tratamento de ansiedade, distúrbios de sono, ataques

convulsivos e depressão. Dentre os fármacos que pertencem à classe dos

benzodiazepínicos, o diazepam é o mais comumente utilizado sendo considerado uma

droga popular. No entanto, o uso prolongado desse medicamento pode causar dependência

e outros efeitos adversos podendo gerar sérias consequências. Portanto, conhecendo a

importância da determinação de diazepam em fluidos biológicos e formulações

farmacêuticas, o trabalho de Rahimi-Nasrabadi e colaboradores teve como objetivo

desenvolver um método analítico simples, eficaz e aplicável para determinação desse

composto. Após o desenvolvimento do dispositivo, este apresentou boa atividade

eletrocatalítica em relação à redução do diazepam em uma faixa linear de resposta de 0,3 a

700 µmol L-1 e limite de detecção de 0,087 µmol L-1, além de boa estabilidade e

repetibilidade, sendo satisfatória a sua aplicação para determinação de diazepam em

amostras reais.82

O desenvolvimento de biossensores, enzimáticos ou não enzimáticos, para detecção

de glicose em fluidos biológicos têm ganhado destaque devido o interesse de aplicação

para o diagnóstico clínico de diabetes por serem dispositivos de custo relativamente baixo,

que apresentam respostas rápidas, precisas, boa estabilidade, sensibilidade e seletividade.

Sutradhar e Patnaik,83 desenvolveram recentemente um eletrodo de carbono vítreo

modificado com fulereno (C60) funcionalizado com nanopartículas de ouro, usando o 3-

amino-5-mercapto-1,2,4-triazol com base em tiol, como o ligante, para análise de glicose. A

modificação utilizada para o dispositivo proposto apresentou atividade eletrocatalítica,

efetiva capacidade de transferência de elétrons, faixa linear de resposta de 0,025 a

0,8 mmol L-1, limite de detecção de 22,0 µmol L-1, boa estabilidade, além de boa seletividade

em relação aos possíveis interferentes.


24

Outro exemplo de composto cuja determinação em amostras reais é de grande

importância é a dopamina (DA) por ser considerada um dos principais neurotransmissores e

por que a desregulação da dopamina pode causar graves distúrbios como, por exemplo, a

doença de Parkinson. Com isso em mente, Palanisamy e colaboradores,84 desenvolveram

um eletrodo de carbono impresso modificado com fulereno (C60) e nanopartículas de paládio

(PdNPs). O eletrodo fabricado exibiu boa seletividade na presença de possíveis

interferentes como ácido ascórbico e ácido úrico. Em condições ótimas, o sinal da

intensidade de corrente anódica referente à oxidação de DA aumentou linearmente na faixa

de 0,35 a 133,35 µmol L-1 com um limite de detecção de 0,056 µmol L-1. Como uma

perspectiva futura, os autores consideram que o sensor desenvolvido possa ser usado para

detecção precisa de DA em amostras farmacêuticas.

A Tabela 3 apresenta outros exemplos de eletrodos modificados com fulereno para

determinação de compostos de interesse clínico e farmacêutico.

Tabela 3. Exemplos de sensores eletroquímicos baseados em fulereno descritos na literatura recente.


Levodopa e

acetaminofeno

Carbono Vítreo C60 - NTCPM Fármaco 3,5x10-8 85

Aciclovir Carbono Vítreo Fulereno (C60) Fármaco/ plasma

sanguíneo/ urina

1,5x10-8 86

Catecolaminas

(NE, IP, DA)

Carbono Vítreo C60 - NTCPM –

LI

Soro sanguíneo/

urina

1,8x10-8 – NE;

2,2x10-8 – IP;

1,5x10-8 – DA.

87

Predinizolona Ouro Fulereno (C60) Sangue/ urina 2,6x10-8 88

Ácido Pirúvico Carbono Vítreo C60 - NTCPM Sangue/ urina 1,0x10-8 89

*NTCPM – Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas / LI – Líquido iônico/ NE – Noradrenalina/ IP – Isoprenalina/ DA – Dopamina/.

Com base em todos os aspectos apresentados, pode-se considerar que, de fato, nos

últimos anos o avanço da nanociência e nanotecnologia possibilitaram o desenvolvimento

de novos materiais com propriedades diferenciadas e extremamente interessantes, por meio

do controle da forma e do tamanho de materiais já conhecidos. Em especial, a descoberta

dos fulerenos, nanotubos de carbono e, mais recentemente, o isolamento do grafeno,

fizeram com que os nanomateriais de carbono atraíssem o interesse científico, nas


25

diferentes áreas do conhecimento, devido à riqueza e diversidade de aplicações que esses

materiais apresentam.

Em relação ao emprego dos nanomateriais de carbono no desenvolvimento de

sensores eletroquímicos, as características favoráveis como, excelente condutividade

elétrica, forte capacidade de adsorção, alta biocompatibilidade e alta área superficial, que

esses materiais apresentam, têm possibilitado a obtenção de novos sensores estáveis,

sensíveis e seletivos para a determinação de inúmeros compostos como gases;

biomoléculas; pesticidas; metais pesados; além de fármacos e compostos de interesse

clinico, como apresentado nessa monografia.

Evidentemente, ainda é necessário que muitos estudos sejam realizados para

superar as limitações existentes em relação a aplicação desses dispositivos em escala

industrial. No entanto, o crescente interesse científico e tecnológico relacionado à esses

materiais indica que as pesquisas e novas publicações, que buscam compreender e superar

todas essas limitações, estão distantes de acabar.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Essa monografia abordou o desenvolvimento e as aplicações descritas na literatura

recente de sensores eletroquímicos modificados com nanomateriais de carbono para a

determinação de fármacos e compostos de interesse clínico. A partir desse estudo foi

possível verificar que a química de nanomateriais é bastante dinâmica. Novas aplicações e

soluções para problemas antigos e atuais são continuamente descobertas, o que justifica o

crescente interesse científico por esses materiais.

Particularmente, em relação aos sensores eletroquímicos, foi possível verificar que o

emprego de nanomateriais de carbono no desenvolvimento de sensores têm possibilitado a

determinação de diferentes compostos de maneira efetiva, apresentando excelente

sensibilidade, seletividade e estabilidade, devido, principalmente, às propriedades favoráveis

dos nanomateriais de carbono.

Deste modo os sensores eletroquímicos têm se tornado cada vez mais promissores

devido ao seu custo relativamente baixo, quando comparado com outros métodos analíticos

convencionais, menor gasto de reagentes, análises rápidas e de fácil execução, tornando

possível e viável a aplicação desses dispositivos em análises de interesse ambiental,

alimentícias e, em especial, análise de fármacos e compostos de interesse clínico.


26

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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