Desenvolvimento de tintas condutoras à base de nanomateriais de carbono e construção de eletrodos impressos descartáveis para análise simultânea de bisfenol A, catecol e 4-nitrofenol em águas

Abstract

Os sensores eletroquímicos impressos têm recebido grande atenção nas últimas décadas por apresentarem características atrativas, tais como facilidade de uso, portabilidade, elevada seletividade e sensibilidade, resultados rápidos, redução do volume de amostra, relativo baixo custo e podem também ser descartáveis. Estes dispositivos impressos vêm sendo construídos e/ou modificados com diferentes nanomateriais para a melhoria de seus desempenhos em aplicações de sensoriamento. Neste contexto, foi proposto desenvolver sensores impressos produzidos em laboratório utilizando tintas condutoras à base de nanomateriais de carbono para a aplicação na detecção de poluentes ambientais. Para isso, empregou-se a técnica de serigrafia na construção de eletrodos impressos, com 2 tipos de arquitetura (design): SPE (Screen Printed Electrode) e SPETA (Screen Printed Electrode Type Alligator). Para a construção dos eletrodos, foram testadas 40 composições de tintas condutoras produzidas em laboratório, variando os constituintes da formulação, a porcentagem do material condutor e do material polimérico e a adição de solvente. Inicialmente, as tintas condutoras foram avaliadas usando o par redox ferrocianeto/ferricianeto, e as tintas mais promissoras foram selecionadas para caracterização e avaliação do desempenho analítico usando compostos fenólicos de interesse ambiental. As análises de caracterização dos eletrodos impressos produzidos com as tintas selecionadas foram realizadas por técnicas voltamétricas, espectroscopia de impedância eletroquímica, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e microscopia eletrônica de varredura. A partir da avaliação das respostas voltamétricas para compostos fenólicos tóxicos, os melhores resultados foram obtidos com a tinta T26, composta por nanografite em pó, nanoplaquetas de grafeno e verniz vitral (nas proporções 40:10:50% em massa). Foram realizados estudos de otimização das condições experimentais (eletrólito suporte e parâmetros da técnica de voltametria de onda quadrada) para a detecção dos analitos bisfenol A (BPA), catecol (CC) e 4-nitrofenol (4-NP). Sob condições otimizadas, foram construídas as curvas de calibração (de forma individual e simultânea), a partir das quais os intervalos de resposta linear obtidos para BPA, CC e 4-NP foram 2,5?200 µmol/L, 10?200 µmol/L e 10?200 µmol/L, respectivamente, com limites de detecção (LOD) de 1,7 µmol/L, 6,9 µmol/Le 2,8 µmol/L. Os sensores produzidos com a tinta selecionada (T26) foram avaliados em relação ao seu desempenho analítico, incluindo estabilidade, reprodutibilidade e potenciais interferentes. Por fim, os sensores propostos foram aplicados na análise de amostras de águas fortificadas com poluentes fenólicos, apresentando erro relativo aceitável (não superior a 10,0%).

Abstract: Screen-printed electrochemical sensors have received great attention in recent decades because of their attractive features, such as easy to use, portable, high selectivity and sensitivity, fast results, reduced sample volume, relatively low cost, and they can also be disposable. These printed devices have been built and/or modified with different nanomaterials to improve their performance in sensing applications. In this context, it was proposed to develop screen-printed sensors produced in the laboratory using conductive inks based on carbon nanomaterials for application in the detection of environmental pollutants. For this, the silk-screen technique was used in the construction of electrochemical sensors, with 2 types of design: SPE (Screen-Printed Electrode) and SPETA (Screen-Printed Electrode Type Alligator. For the construction of the electrodes, 40 compositions of homemade inks were tested, varying the constituents of the formulation, the percentage of conductive material and polymeric material, and the addition of solvent. Initially, the conductive inks were evaluated using the ferrocyanide-ferricyanide redox couple, and the most promising inks were selected for characterization and analytical performance evaluation using phenolic compounds of environmental interest. The characterization analysis of the screen-printed electrodes produced with the selected inks were carried out by voltammetric techniques, electrochemical impedance spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. From the evaluation of the voltammetric response to toxic phenolic compounds, the best results were obtained with the T26 ink, composed of powder nanographite, graphene nanoplatelets and glass varnish (40:10:50 wt%). Studies were carried out to optimize the experimental conditions (supporting electrolyte and square wave voltammetry parameters) for the detection of bisphenol A (BPA), catechol (CC) and 4-nitrophenol (4-NP). Under optimal conditions, calibration curves were constructed (individually and simultaneously), from which linear response ranges for BPA, CC and 4-NP were 2,5?200 µmol/L, 10?200 µmol/L e 10?200 µmol/L, respectively, with limits of detection (LOD) of 1,7 µmol/L, 6,9 µmol/L and 2,8 µmol/L. Sensors produced with the selected conductive ink (T26) were evaluated for their analytical performance, including stability, reproducibility and potential interference. Finally, the proposed sensors were applied in the analysis of water samples fortified with phenolic pollutants, presenting an acceptable relative error (not greater than 10.0%).