Estudos teóricos e experimentais aplicados à detecção eletroquímica de baicaleína em eletrodos de ouro e de carbono

Abstract

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a integração de métodos eletroanalíticos combinados a estudos teóricos para a detecção sensível de baicalina (BAI), um flavonoide bioativo amplamente estudado devido às suas potenciais propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e antitumorais. A determinação analítica de BAI em matrizes biológicas apresenta desafios relacionados à sua baixa concentração e à complexidade das amostras, tornando essencial o desenvolvimento de métodos sensíveis, seletivos, mas também simples e sustentáveis. Neste contexto, avaliou-se comparativamente o desempenho eletroanalítico de diferentes eletrodos: o eletrodo de carbono vítreo (GCE), o eletrodo de ouro (GE) e o eletrodo de ouro ativado eletroquimicamente com estrutura nanoporosa (NPGE). Destaca-se que os métodos propostos são eco-amigáveis, pois emprega eletrodos não modificados quimicamente, ou apenas submetidos à ativação eletroquímica, evitando assim etapas adicionais de modificação com reagentes potencialmente tóxicos. Inicialmente, o comportamento eletroquímico de BAI foi investigado experimentalmente por voltametria cíclica (CV) e voltametria de pulso difedencial (DPV). Os limites de detecção obtidos foram de 31,5 nmol L?¹ para o GCE e 68,1 nmol L?¹ para o GE, utilizando estratégias de curva de calibração externa e adição padrão, respectivamente, para superar efeitos como a saturação superficial. A comparação entre os eletrodos demonstrou que, embora ambos sejam adequados para a detecção de BAI, características intrínsecas das superfícies influenciam significativamente a sensibilidade e a reprodutibilidade. De forma complementar, foi realizada uma investigação teórica aprofundada, com base em cálculos de teoria do funcional da densidade (DFT), visando elucidar os processos de adsorção e interação do BAI com os diferentes substratos. Os resultados indicaram que, na fisissorção, a molécula tende a se adsorver paralelamente às superfícies de carbono e ouro, restringindo a área útil de interação eletroativa. Além disso, a presença de defeitos na superfície do GCE favorece uma quimissorção mais forte, podendo levar à dissociação de BAI e ao envenenamento da superfície. Na sequência, visando aprimorar a sensibilidade e seletividade do método, foi implementada a ativação eletroquímica do eletrodo de ouro, promovendo a formação de uma estrutura nanoporosa (NPGE) via anodização controlada, um processo simples e compatível com os princípios da química verde. A investigação teórica demonstrou que, nesse tipo de superfície, a BAI apresenta maior energia de adsorção, com a molécula penetrando nos poros e estabelecendo interações mais fortes. Experimentalmente, após a otimização das condições de pré-concentração (E deposição = -0,25 V; t deposição = 50 s), a voltametria de redissolução adsortiva (AdSV) possibilitou alcançar limites de detecção e quantificação de 15,0 nmol L?¹ e 45,0 nmol L?¹, respectivamente. O método apresentou excelente precisão, estabilidade e seletividade, com taxas de recuperação satisfatórias, variando de 93,4% a 106% em amostras de plasma humano e urina sintéticos, além de resistência a interferências comuns em matrizes complexas. A integração entre as investigações experimental e teórica permitiu compreender, em nível atomístico, os mecanismos de adsorção e os fatores que influenciam a eficiência analítica dos diferentes eletrodos avaliados. Os resultados evidenciam o potencial da ativação eletroquímica como uma estratégia eficaz e econômica para ampliação da sensibilidade em sensores eletroquímicos, além de destacar a importância da modelagem computacional para o planejamento e interpretação de métodos analíticos. Assim, este estudo fornece contribuições relevantes para o avanço das técnicas de detecção eletroquímica de flavonoides, como a BAI, com aplicações promissoras nas áreas biomédica, farmacêutica, e de monitoramento clínico.

Abstract: This work describes the development and integration of electroanalytical methods combined with advanced theoretical studies for the sensitive detection of baicalin (BAI), a bioactive flavonoid widely investigated due to its potential antioxidant, anti-inflammatory, and antitumor properties. The analytical determination of BAI in biological matrices poses challenges related to its low concentration and the complexity of samples, making the development of sensitive, selective, yet simple and sustainable methods essential. In this context, the electroanalytical performance of different electrodes was comparatively evaluated: glassy carbon electrode (GCE), gold electrode (GE), and electrochemically activated nanoporous gold electrode (NPGE). The proposed methods are eco-friendly, as they employ unmodified electrodes or electrodes only subjected to electrochemical activation, thereby avoiding additional modification steps with potentially toxic reagents. Initially, the electrochemical behavior of BAI was experimentally investigated using cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. Detection limits of 31.5 nmol L?¹ for GCE and 68.1 nmol L?¹ for GE were obtained, using external calibration and standard addition strategies, respectively, to overcome effects such as surface saturation. Comparison between electrodes demonstrated that, although both are suitable for BAI detection, intrinsic surface characteristics significantly influence sensitivity and reproducibility. Complementarily, an in-depth theoretical investigation was conducted based on density functional theory (DFT) calculations to elucidate adsorption processes and interactions of BAI with different substrates. Results indicated that, under physisorption, the molecule tends to adsorb parallel to carbon and gold surfaces, restricting the effective electroactive area. Moreover, the presence of surface defects on GCE favors stronger chemisorption, potentially leading to BAI dissociation and surface poisoning. Subsequently, to enhance sensitivity and selectivity, electrochemical activation of the gold electrode was implemented, promoting the formation of a nanoporous structure (NPGE) via controlled anodization, a simple process aligned with green chemistry principles. Theoretical insights demonstrated that, on this type of surface, BAI exhibits higher adsorption energy, with the molecule penetrating into pores and establishing stronger interactions. Experimentally, after optimizing preconcentration conditions (E deposition = - 0.25 V; t deposition = 50 s), adsorptive stripping voltammetry (AdSV) enabled detection and quantification limits of 15.0 nmol L?¹ and 45.0 nmol L?¹, respectively. The method exhibited excellent precision, stability, and selectivity, with satisfactory recovery rates ranging from 93.4% to 106% in synthetic human plasma and urine samples, as well as resistance to common interferences in complex matrices. The integration of experimental and theoretical investigations provided atomistic-level understanding of adsorption mechanisms and factors influencing the analytical efficiency of the evaluated electrodes. The results highlight the potential of electrochemical activation as an effective and economical strategy for enhancing sensitivity in electrochemical sensors, and underscore the importance of computational modeling for the design and interpretation of analytical methods. Thus, this study provides relevant contributions to advancing electrochemical detection techniques of flavonoids, such as BAI, with promising applications in biomedical, pharmaceutical, and clinical monitoring fields.