Eletrodos fabricados por "silk-screen"
1. INTRODUÇÃO
Sensibilidade, seletividade, estabilidade, precisão, resposta rápida,
facilidade de uso, custo baixo e robustez são as características mais
importantes perseguidas no desenvolvimento de sensores. Baixo custo e
facilidade de uso são determinantes no desenvolvimento de versões
comercializáveis para o público em geral. Na prática, eletrodos sólidos são os
mais adequados para fins comerciais.
Se, por um lado as infinitas possibilidades de modificação de eletrodos sólidos
permitem visualizar o desenvolvimento dos mais variados sensores para atender a
crescente demanda, principalmente nas áreas médica, industrial e ambiental1,
por outro lado, a regeneração da superfície após o uso é o maior entrave para o
desenvolvimento de eletrodos sólidos comerciais. Tratamentos físico e químico-
eletroquímico, capazes de regenerar eficazmente a superfície, não são
apropriados para sensores comerciais, uma vez que dependem fortemente da
"mão do operador". A solução para o problema seria o desenvolvimento
de eletrodos descartáveis, que eliminaria a necessidade de regeneração de
superfície. Para este fim, o desenvolvimento de membranas descartáveis e
eletrodos de pasta de carbono se apresentaram nas últimas décadas como
alternativas. No entanto, algumas limitações destas tecnologias, como aquelas
relacionadas à lixiviação de componentes da pasta de carbono modificada, com
conseqüente perda de atividade e estabilidade do sensor, e a forma artesanal
peculiar dos eletrodos de pasta de carbono e de membrana, desfavorecem o
emprego destas tecnologias em eletrodos comerciais.
A tecnologia de "screen-printing", mais conhecida como "silk-
screen", tem sido empregada com grande sucesso na fabricação de eletrodos
nesta última década. Ao mesmo tempo que possibilita a produção em massa de
eletrodos a um custo extremamente baixo, é simples e pode ser praticada em
qualquer laboratório, sendo pois apropriada para produção de eletrodos
descartáveis.
O Eletrodo Impresso (EI), "Screen-Printed Electrode", é simplesmente
um filme depositado sobre um suporte inerte, geralmente de PVC ou cerâmica de
alumina. Em geral, este filme é parcialmente coberto por uma segunda camada de
um isolante para definir uma área de contato elétrico numa extremidade e outra
área para ser a superfície do eletrodo na outra extremidade.
Um dos principais aspectos dos EIs, que os tornam extremamente atrativos quando
se busca o desenvolvimento de sensores comerciais, é a possibilidade de total
automação na fabricação de um sistema completo contendo os eletrodos de
trabalho, auxiliar e referência, todos impressos no mesmo suporte. Esta
característica, associada à simplicidade de elaboração e às inúmeras
possibilidades de modificação dos EIs, promete colocar a técnica numa posição
privilegiada entre as demais.
Eletrodos modificados podem ser facilmente elaborados uma vez que os inúmeros
artifícios utilizados para modificação dos eletrodos de pasta de carbono se
adequam aos EIs. Duas grandes revisões de literatura sobre os eletrodos de
pasta de carbono foram publicadas recentemente2,3.
O crescente interesse pelo desenvolvimento de EIs pode ser visto na figura_1.
Artigos de revisão relacionados diretamente aos EIs1, 4-14 ou abordando temas
correlatos15-18são disponíveis na literatura e podem oferecer ao leitor
informações valiosas sobre o assunto.
Este artigo de revisão focaliza o impacto, o papel e as perspectivas futuras
dos eletrodos descartáveis fabricados por "screen-printing" na
química eletroanalítica. Além disso, tendo em vista ser um assunto pouco
conhecido no Brasil, procurou-se dar a sua redação um aspecto didático. Em
relação aos EIs para gases, vapores e umidade, foi feita apenas uma breve
abordagem e citação da literatura.
2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS ELETRODOS IMPRESSOS
O processo de "screen-printing", seus equipamentos, materiais e
métodos estão muito bem estabelecidos para produção em massa de componentes
eletrônicos como capacitores, resistores e condutores em circuitos impressos.
Aplicações desta natureza atestam por si só a repetibilidade em espessura e
geometria das camadas impressas cuja resolução chega respectivamente a 10 e
100µm. Equipamentos modernos automáticos e semi-automáticos são disponíveis no
mercado. Na preparação de eletrodos impressos são utilizados esses mesmos
equipamentos, materiais e métodos com pequenas adaptações.
Hart & Wring1, num artigo de revisão sobre aplicações de EIs em análises
extra-laboratoriais, divulgaram uma lista de endereços de empresas fornecedoras
de materiais em geral, máquinas e equipamentos para a preparação de eletrodos
pelo processo de "screen-printing".
O processo de "screen-printing" consiste basicamente em forçar a
tinta a passar através de uma tela para ser depositada sobre um substrato
plano. O desenho definido pelas partes abertas da tela é reproduzido no
substrato. Uma combinação do uso sucessivo de diferentes telas e diferentes
tintas é normalmente utilizada na preparação dos eletrodos. Em geral, a etapa
final de impressão consiste na aplicação de uma camada parcial de um isolante
para definir uma área a ser usada como contato elétrico numa extremidade e
outra área para ser a superfície do eletrodo na outra extremidade. As figuras_2
e 3 ilustram, respectivamente, o procedimento de preparação dos EIs e o aspecto
final de um sensor coberto com um filme de nafion depositado também por
"screen-printing".
As etapas básicas da confecção de um EI são a preparação ou seleção da tinta,
seleção da tela, impressão, secagem e cura. O processo é repetido para as
camadas sucessivas.
A secagem e cura são muitas vezes realizadas numa única etapa em temperaturas
que variam desde a temperatura ambiente até 1000oC. Geralmente o material
impresso requer aquecimento para polimerização da tinta antes da camada estar
pronta para a próxima etapa de impressão.
Para aumentar a condutividade elétrica do EI, a primeira camada pode ser de uma
tinta metálica condutora de Ag, Au, Pt ou outro metal. Neste caso, as camadas
sucessoras devem ser posicionadas sobre a trilha metálica para prevenir o
contato entre o metal e a solução eletrolítica. Camadas metálicas são também
freqüentemente utilizadas para imprimir eletrodos de referência e auxiliar
conjuntamente com o eletrodo de trabalho para sistemas de três eletrodos.
3. MATÉRIA PRIMA PARA CONFECÇÃO DOS ELETRODOS IMPRESSOS
Para um material ser usado como substrato na confecção de eletrodos
voltamétricos necessita geralmente apresentar elevada inércia química e inércia
eletroquímica, esta última numa ampla faixa de potenciais; elevado
sobrepotencial para produção de hidrogênio e oxigênio; baixa corrente residual;
alta condutividade elétrica e propiciar uma fácil regeneração da superfície.
Estas características têm levado o carbono a ser amplamente empregado como
matéria prima para confecção de eletrodos19.
3.1. Tintas Comerciais
Tintas condutoras e isolantes comerciais, originalmente desenvolvidas para
aplicações na elaboração de circuitos impressos na área da eletrônica, têm se
mostrado também apropriadas para serem utilizadas como material base na
confecção dos EIs. A maioria dos trabalhos descritos na literatura usa essas
tintas. Seus principais componentes são vidros ligantes (aglutinante), como
borossilicatos ou aluminossilicatos; solventes, tais como etilcelulose; e
aditivos, dependendo da aplicação. Tintas com elevada condutividade, usadas
para produção de contatos elétricos, contêm pó de metais tais como Au, Pt, Ag e
Pd. Para aplicações especiais, como a produção de resistores, tintas a base de
carbono são disponíveis. Após a impressão da tinta no suporte, o filme é secado
e usualmente curado a temperaturas que podem chegar a 1000oC. Através deste
processo forma-se um filme duro e aderente, com espessura de 10-20 µm, com as
propriedades mecânicas e elétricas desejadas6. O uso de suportes cerâmicos é
bastante adequado quando são necessárias temperaturas altas de cura. Mais
recentemente, tintas que requerem temperaturas de cura mais baixas têm sido
desenvolvidas usando-se polímeros ao invés de vidros como aglutinante. A
composição exata e o processo de fabricação das tintas comerciais fazem parte
de patentes e não são inteiramente reveladas. Um estudo comparativo entre
quatro tintas comerciais a base de carbono, amplamente utilizadas na confecção
de EIs, obtidas de diferentes fabricantes, revelou diferenças no comportamento
eletroquímico dos eletrodos confeccionados com as mesmas20.
3.2. Receitas de tintas
Diante do uso bem sucedido da tecnologia de "screen-printing" na
fabricação de eletrodos utilizando tintas condutoras comerciais, originalmente
desenvolvidas para outros fins, começaram a surgir novas formulações destinadas
especificamente a confecção de EIs. Várias receitas de "home-made
inks" (HMIs), como são usualmente chamadas as tintas elaboradas no
laboratório, têm sido empregadas na literatura4, 21-53. A preparação completa
da tinta permite o controle da composição e de todas as etapas envolvidas no
processo, cuja grande vantagem seria a elaboração de formulações com
propriedades específicas para viabilizar ou otimizar p. ex. a imobilização de
um dado componente biológico no desenvolvimento de biossensores. Eletrodos
modificados podem ser elaborados através da modificação dos componentes que vão
ser usados na fabricação da tinta ou adicionando aditivos à tinta já preparada,
ou mesmo após a impressão do eletrodo pela modificação de sua superfície,
usando métodos convencionais. A versatilidade das HMIs pode ser exemplificada
no notável aumento de sensibilidade do biossensor para glicose apresentado por
Cardosi & Birch32, resultante da imobilização covalente da enzima glicose
oxidase em carbono platinizado, o qual foi utilizado como material base para
preparação da tinta. Uma receita típica foi apresentada por Hart et al.26 e
consiste na mistura de acetato de celulose, ciclohexanona, acetona e pó de
grafite.
3.3. Propriedades das Tintas
A composição das HMIs compreende basicamente um material base inerte de elevada
condutividade como grafite de alta pureza finamente pulverizado; um aglutinante
como o polímero acetato de celulose e um sistema solvente como ciclohexanona-
acetona. Além das propriedades químicas e eletroquímicas já mencionadas acima,
que um material precisa apresentar para poder servir de base na fabricação de
eletrodos em geral, outras características precisam ser consideradas na
formulação de uma HMI:
Viscosidade adequada ao processo de "screen-printing". A viscosidade
depende intrinsecamente da natureza do aglutinante, da sua dosagem percentual,
da presença de aditivos27,54 e do sistema solvente utilizado. Esse último deve
proporcionar uma volatilidade adequada, baixa o suficiente para prolongar o
tempo de evaporação, para facilitar a operação de "screen-printing".
Aderência suficiente para uma fixação efetiva do filme ao suporte. O sistema
solvente pode também contribuir para melhorar a aderência do filme ao suporte,
especialmente quando este último é levemente corroído pelo solvente.
Flexibilidade para evitar a presença de rachaduras na superfície do eletrodo.
Esta característica é mais importante para eletrodos impressos em suportes
flexíveis como PVC.
Resistividade elétrica deve ser a mais baixa possível. A resistividade está
diretamente relacionada com percentagem de substrato condutor, aglutinante e
outros aditivos como enzimas, mediadores etc.. Soluções de compromisso entre os
diversos fatores que determinam o desempenho geral do sensor, desde a
viscosidade da tinta até p. ex. a atividade enzimática final de um biossensor,
devem ser adotadas. Uma resistividade de 250 W.cm foi considerada ótima na
elaboração de um biossensor utilizando uma HMI26.
A maioria das formulações apresentadas na literatura, com exceção daquelas
empregadas para sensores de gases, vapores e umidade, utiliza carbono como
material base. Aquela proposta por Hart et al.26, que combina o uso de acetato
de celulose como aglutinante e ciclohexanona-acetona como sistema solvente, tem
sido largamente utilizada na elaboração de biossensores impressos em suporte de
PVC24,25,34,35,37-39,43, 44,49. O sistema solvente assegura uma forte aderência
das partículas de grafite ao suporte de PVC: a ciclohexanona contribui para
prolongar o tempo de evaporação, enquanto o acetato de celulose proporciona uma
superfície de grafite flexível que previne a formação de fissuras se o eletrodo
for flexionado levemente. A mesma formulação foi também usada em suporte
cerâmico de alumina por outros autores21,30,31. Formulações à base de água como
solvente têm sido também empregadas4,29,32, inclusive para explorar a atividade
catalítica de pó de grafite metalizado com Pt, Ni, Cr, Rh, Pd, Ru e Ag4 num
estudo que combina tecnologias de materiais catalíticos, procedimentos de
imobilização de enzimas, deposição de membranas, "screen-printing" e
jato de tinta na construção de biossensores. Nesse trabalho4, pó de grafite
metalizado, polímero hidroxietilcelulose e solução tampão fosfato pH 7 são
misturados para formar a tinta. A enzima glicose oxidase é incorporada ao
sensor ou como aditivo à tinta ou através da impressão de uma camada adicional
de uma mistura enzima/hidroxietilcelulose. A tecnologia de jato de tinta
mostrou-se muito adequada para deposição de uma camada extra de polímero
acetato de celulose ou náfion com a finalidade de prevenir a lixiviação dos
componentes do biossensor. Outras formulações à base de
polivinilpirrolidina22,23,27,40,42,45e hidroxietilcelulose4,28,40,41,47,48,50-
53 também têm sido empregadas.
É comum o uso de vidros ligantes na formulação de tintas comerciais em geral6,
sendo também possível o uso de sílica para ajustar a viscosidade de HMIs27. No
entanto, emprego mais nobre da sílica pode estar na combinação do processo sol-
gel com a tecnologia de "screen-printing". O processo sol-gel
consiste basicamente em reações de hidrólise e condensação de alcóxidos de
silício com formação de uma estrutura rígida tridimensional de sílica porosa55.
Uma propriedade muito importante deste processo é o fato da síntese ser
realizada a temperatura ambiente e em condições químicas suportáveis por
moléculas como enzimas e proteínas56. O encapsulamento de espécies químicas e
biológicas através do processo sol-gel vem sendo utilizado na elaboração de
eletrodos modificados, como o sensor voltamétrico para determinação de traços
de níquel por "stripping", que se baseia na formação de um compósito
de sol-gel e carbono dopado com dimetilglioxima57. Mais recentemente, a
elaboração de uma HMI contendo precursores de sol-gel, cujo procedimento de
cura envolve um processo sol-gel que aprisiona a enzima glicose oxidase,
demonstrou que a combinação do processo sol-gel com a tecnologia de
"screen-printing" promete abrir novos horizontes para a produção de
sensores eletroquímicos descartáveis46.
O uso de HMIs encontra também uma vasta aplicação na elaboração de sensores
para gases, vapores e umidade por "screen-printing", que serão
abordados na seção 7.
4. CARACTERIZAÇÃO DOS ELETRODOS IMPRESSOS
Vários trabalhos apresentados na literatura são voltados para a caracterização
dos EIs4,19,33,42,58-67. Alguns artifícios como o uso de filmes, metais
platínicos e mediadores de elétrons, largamente usados no desenvolvimento de
eletrodos modificados, são também empregados nessas investigações.
Como complemento aos estudos eletroquímicos fundamentais, a microscopia
eletrônica de varredura (MEV) tem sido de grande importância em estudos de
superfície dos EIs, sendo utilizada por alguns autores na tentativa de
encontrar relações entre a morfologia superficial dos eletrodos e seu
desempenho eletroquímico. Um exame minucioso das micrografias pode revelar
detalhes específicos relacionados, p. ex., às diferenças no procedimento de
preparação do sensor ou a um dado tratamento ou componente particular19,33,
42,58-62,64,65. MEV pode então proporcionar informações valiosas, seja para um
melhor entendimento do comportamento eletroquímico do sensor ou mesmo para
documentar topografias superficiais típicas obtidas sob certas condições
experimentais empregadas em sua preparação.
A eficiência de processos de deposição de filmes químicos e biológicos foi
avaliada por MEV62 num estudo voltado para o desenvolvimento de um sensor
descartável de glicose.
EIs a base de platina apresentam características eletroquímicas similares aos
eletrodos de disco de platina comerciais64. A principal diferença está no
comportamento microscópico, típico de microeletrodos, verificados por
cronocoulometria e voltametria em experimentos realizados em curto domínio de
tempo. Esta característica foi associada a elevada porosidade da superfície do
eletrodo, examinada por MEV. Similarmente, eletrodos de filme elaborados a
partir de uma mistura grafite-epoxy também se comportam como uma rede de
microdiscos de grafite19. MEV revela a existência de uma superfície rugosa
contendo micropartículas de grafite distribuídas aleatoriamente na superfície
do epoxy. A rugosidade da superfície contribui para inibir a sobreposição de
camadas de difusão radial, prevista para experimentos realizados em largo
domínio de tempo, e reforça a predominância do comportamento de microeletrodo
esperado teoricamente.
MEV tem sido também de enorme utilidade no desenvolvimento de sensores que se
baseiam num EI coberto por uma membrana. Uma nova técnica de imobilização
enzimática, que consiste numa pasta enzimática polimerizável por luz UV,
adequada para produzir uma membrana através do processo de "screen-
printing", foi desenvolvida por Bilitweski et al.33. O desenvolvimento59 e
aplicações58,61 de redes de microeletrodos, manufaturadas através de
perfurações num filme fotossensível pré-depositado, utilizando raio laser e
fotomáscaras, são também exemplos nos quais a MEV tem sido de grande
importância nos estudos de caracterização dos EIs.
Em sensores para gases, a sensibilidade é fortemente dependente da rugosidade
da superfície, tamanho dos grãos, espessura e porosidade do filme. Condições de
preparação tais como temperatura de cura e espessura do filme influenciam
grandemente a morfologia superficial dos EIs e são pois, fundamentais no
desenvolvimento destes sensores. Mochida et al.65 verificaram uma forte relação
entre estrutura superficial e desempenho eletroquímico, através da análise de
micrografias obtidas por MEV, num sensor de gás sulfídrico que combina
tecnologias de "screen-printing" e "sputtering".
Diversos estudos de caracterização dos EIs, como os discutidos a seguir,
baseiam-se exclusivamente em experimentos eletroquímicos.
Fogg et al.66 mostraram que a presença de uma membrana de poli-l-lisina
facilita a redução de hexacianoferrato(III) e a re-oxidação do hexacianoferrato
(II) diminuindo significativamente o sobrepotencial envolvido no processo,
melhorando assim a reversibilidade dos processos eletroquímicos nos EIs. A
membrana de poli-l-lisina adere mais fortemente em superfícies rugosas, como
aquelas dos EIs, do que em superfícies polidas tais como aquelas de eletrodos
de carbono vítreo.
Tendo em vista que os metais platínicos atuam como catalisadores na oxidação
eletroquímica de peróxido de hidrogênio e de vários compostos orgânicos
importantes, estes metais são utilizados em EIs modificados para reduzir o
sobrepotencial de processos eletroquímicos4,27,30-33,40,46,48,50,60,63,64,68-83
. Muitos autores recorrem a este efeito catalítico em busca de um aumento de
seletividade na elaboração de métodos de determinação eletroanalíticos. A
presença desses metais causa também um aumento na área superficial do
eletrodo63.
O uso de mediadores de elétrons é outro recurso bastante usado na elaboração de
EIs modificados22-26,28,30,35,36,38-40,42-44,49,62,67,73-75,77,84-99. Os
mediadores cobalto-ftalocianina24-26,35, 38,39,43,44,49,62,67,87,90,91,94,95 e
derivados de ferroceno22-24,35, 39,42,49,93,96,97 são os mais comumente
utilizados. Na maioria dos casos o mediador é misturado diretamente à tinta a
ser utilizada na fabricação dos eletrodos. Em alguns procedimentos o mediador é
imobilizado na superfície de um EI base. Um exemplo é a imobilização simultânea
de dois mediadores, tetracianoquinodimetano e dimetilferroceno, para promover
uma conexão elétrica direta do centro redox FAD da enzima glicose oxidase à
superfície de um EI. Esta estratégia foi utilizada por Kishimoto42 no
desenvolvimento de um biossensor amperométrico para glicose que apresenta uma
rápida e eficiente transferência de elétrons, acarretando respostas de corrente
em potenciais de trabalho extremamente baixos e conseqüentemente mais
seletivos. E mais, sua resposta amperométrica não é afetada pela flutuação da
concentração de oxigênio dissolvido, uma vez que o mesmo não participa da
reação devido à presença do mediador, permitindo o uso do biossensor para medir
glicose numa gota de amostra de soro sem nenhum pré-tratamento.
Eletrodos com diferentes janelas de potencial, sensibilidades e correntes
residuais foram obtidos a partir de tintas comerciais a base de carbono
largamente empregadas para fabricação de EIs20. Essas diferenças, atribuídas às
composições das tintas, revelaram que a escolha da tinta deveria depender da
aplicação eletroanalítica específica e da técnica utilizada.
5. ELETRODOS IMPRESSOS NÃO MODIFICADOS
A elaboração de eletrodos modificados descartáveis é sem dúvida o objetivo mais
nobre do emprego da tecnologia de "screen-printing" na fabricação de
eletrodos. No entanto, alguns trabalhos da literatura mostram que o uso de EIs
não modificados representa uma alternativa extremamente atraente ao uso de
eletrodos convencionais de mercúrio, carbono vítreo, metais nobres e pasta de
carbono em eletroanálise. E mais, o formato planar e a facilidade de
miniaturização destes eletrodos são bastante apropriados para sua integração a
pequenos equipamentos portáteis.
Nos últimos anos, o uso consagrado do eletrodo de gota pendente de mercúrio, ou
de filmes de mercúrio sobre carbono vítreo ou sobre metais nobres,
principalmente na famosa análise de metais pesados por "stripping",
começou a ser substituído com vantagens pelo uso dos EIs livres de mercúrio, o
que é extremamente importante do ponto de vista ambiental quando se pensa em
eletrodos descartáveis. EIs não modificados foram usados com sucesso na análise
por "stripping" de Zn, Cd, Pb e Cu100; Au(III)101; e Cu(II)102. EIs
cobertos com filme de ouro depositado in situ foram propostos para análise por
"stripping" potenciométrico do próprio mercúrio103 e de chumbo em
urina e água potável104. Como será visto adiante, na discussão dos eletrodos
modificados, a fabricação de EIs a partir de tintas previamente modificadas com
ligantes e resina trocadora de cátions oferece uma ótima alternativa ao uso de
eletrodos de mercúrio. No entanto, como era de se esperar, o uso de filme de
mercúrio eletrodepositado in situ sobre EIs tem se mostrado útil para a análise
por "stripping" de traços de metais pesados58,60,61,105,106 e de
urânio107.
EIs não modificados foram também utilizados em estudos de caracterização de
inibidores enzimáticos108 e determinação automática de lactose109 em análise
por injeção em fluxo; em estudos comparativos do comportamento eletroquímico de
hidroquinona em EIs e em eletrodos convencionais110; e na determinação de DNA e
RNA por "stripping"111.
Um eletrodo do tipo Clark miniaturizado, para monitoramento transcutâneo de
oxigênio, confeccionado por "screen-printing", foi proposto por
Harsáni et al.112. Cha et al.79 mostraram que o uso de Pt minimiza a
interferência entre eletrodos, numa rede de EIs em formato de pente, na
determinação de oxigênio. A utilização de uma rede de EIs em forma de
microbandas permitiu a obtenção de voltamogramas hidrodinâmicos
tridimensionais, de oxidação e de redução para reações reversíveis, num único
experimento113. Um estudo comparativo do desempenho eletroquímico de EIs não
modificados foi realizado em nosso grupo recentemente20.
5.1. Célula eletroquímica descartável
Reagentes impressos proporcionam novas possibilidades no desenvolvimento de
sensores eletroquímicos.
Uma notável aplicação da tecnologia de "screen-printing" em
eletroquímica está presente na célula eletroquímica descartável (CED)
desenvolvida pela Unilever Research114,115, patenteada sob o nome
"Capillary Fill Device". Trata-se de uma microcélula de camada
delgada na qual a solução em análise é introduzida por capilaridade. Sua
principal vantagem é possuir um volume constante pré-definido, que dispensa a
calibração individual. Uma distância de 100 a 200 µm separa as faces internas
da célula. Na base, a face cerâmica contém EIs de trabalho, referência e
auxiliar. No topo, a face de vidro contém um coquetel de reagentes, também
impressos, que ficam posicionados justamente defronte ao eletrodo de trabalho e
disponíveis para serem solubilizados pela própria solução da amostra no momento
da análise. Embora todos os reagentes envolvidos sejam descartados juntamente
com a célula após uma única medição, isto não inviabiliza o processo por se
tratar de microquantidades. Dada a possibilidade de se combinar toda
versatilidade dos EIs com uma célula eletroquímica que, além de ser
descartável, dispensa a adição de reagentes, o uso de CEDs promete ampliar
enormemente as possibilidades de desenvolvimento de sensores descartáveis. E
mais, o uso de eletrodos não modificados confere às CEDs um caráter universal,
bastando para isso substituir os reagentes impressos.
Enquanto a lixiviação do mediador de elétrons é um grande problema no
desenvolvimento de inúmeros biossensores, cuja solução é optar por um mediador
que possa ser mantido imobilizado juntamente com a enzima, o uso de mediadores
solúveis é um pré-requisito para os biossensores que utilizam CEDs. O líquido
em análise, ao penetrar na célula, dissolve os reagentes dispersando-os por
todo o volume da microcâmara de reação. Após um intervalo de tempo
preestabelecido, é então realizada a medição eletroquímica por voltametria,
amperometria ou coulometria.
Um biossensor coulométrico para glicose, contendo um coquetel de reagentes
(acetato de celulose, ciclohexanona, mediador hexamin-Ru(III),
diidrogenofosfato de potássio, monoidrogenofosfato de potássio, cloreto de
potássio, enzima glicose oxidase, citrato ou outro anti-coagulante sanguíneo)
impresso na face de vidro defronte ao eletrodo de trabalho numa CED, foi
desenvolvido por Turner et al.9, 75. Similarmente, Fogg et al. utilizaram CEDs
para construir sensores voltamétricos para nitrato116 e fosfato117.
6. ELETRODOS IMPRESSOS MODIFICADOS
Até o início da década de 70 somente eletrodos inertes tais como mercúrio,
carbono, ouro e platina, eram utilizados em química eletroanalítica, quando
então se percebeu que a modificação da superfície inerte do eletrodo poderia
conduzir a elaboração de um verdadeiro arsenal de sensores para as mais
variadas aplicações. Modificar um eletrodo consiste em atribuir e controlar
novas propriedades físico-químicas a um eletrodo inerte através do acoplamento
de espécies químicas ativas a sua superfície118. O sensor resultante pode então
consistir de várias camadas sucessivas, depositadas sobre o eletrodo base.
Quanto às possibilidades de modificações, os EIs se assemelham aos eletrodos de
pasta de carbono, uma vez que, em princípio, todos os artifícios utilizados
para modificação dos eletrodos de pasta de carbono se adequam aos EIs. Os
processos de modificação de eletrodo mais comuns envolvem deposição de filme de
mercúrio, metais platínicos, complexos metálicos, enzimas, mediadores de
elétrons e polímeros. As funções de cada um desses modificadores são muito bem
estabelecidas e estudadas em detalhes na literatura. Todos estes processos têm
sido aplicados com sucesso também aos eletrodos fabricados pela tecnologia de
"screen-printing".
A eletrodeposição de um filme de mercúrio sobre um eletrodo inerte lhe confere
propriedades do eletrodo de gota pendente de mercúrio, favorecendo o emprego de
eletrodos sólidos em análise de metais pesados por "stripping".
Catalisadores metálicos, geralmente metais platínicos na forma de pó de carbono
metalizado, bem como diversos complexos metálicos, misturados diretamente à
tinta de carbono antes da etapa de impressão, ou depositados sobre a superfície
de um EI, têm como função principal baixar o sobrepotencial do processo de
óxido-redução da espécie de interesse. Um dos papéis fundamentais das enzimas
nos biossensores é o inerente reconhecimento molecular, que permite ao sensor,
dentro de certos limites, "enxergar" a espécie de interesse e ser
"cego" em relação às demais.
O reconhecimento molecular se dá através da catálise enzimática na superfície
do sensor, que promove a ocorrência de reações não eletródicas no sítio ativo
da enzima, liberando ou consumindo substâncias eletroativas justamente na
superfície do eletrodo base. A resposta analítica do biossensor ou é
proveniente da medição eletroquímica destas espécies eletroativas, cuja
concentração é função da concentração da espécie de interesse, ou do sinal de
oxidação (ou de redução) direta do sítio ativo da enzima a seu estado
fundamental. Como os sítios ativos de diversas enzimas óxido-redutases são
situados muito internamente em suas estruturas tridimensionais, tais enzimas
não podem entrar em contato elétrico direto com a camada inerte do sensor,
mesmo estando em contato físico com esta camada2. Este contato elétrico pode
ser estabelecido através de mediadores de elétrons. O papel do mediador de
elétrons é pois, estabelecer uma espécie de contato elétrico entre o sítio
ativo da enzima e a camada inerte do sensor, através do seguinte mecanismo: o
mediador sofre um processo redox no sítio ativo da enzima, reconduzindo-a a seu
estado fundamental, para em seguida sofrer um processo redox inverso na
superfície do eletrodo, sendo também reconduzido a seu estado fundamental,
completando um ciclo que restaura a enzima e o mediador. O mediador se comporta
pois, como uma espécie de mensageiro "que conta ao eletrodo inerte" o
que se passou no interior da enzima. Assim, o uso de mediadores tem sido de
extrema importância para viabilizar ou otimizar o desenvolvimento de diversos
biossensores. E mais, a dopagem do eletrodo com mediadores de elétrons, bem
como metais platínicos, é um recurso amplamente usado para aumentar a
seletividade em biossensores amperométricos, uma vez que a presença do
catalisador ou do mediador possibilita um potencial de trabalho numa região
mais próxima de zero volts, mais imune a interferências de outras espécies
eletroativas. Quanto aos polímeros, cuja principal função tem sido o
aprisionamento de espécies químicas e biológicas na superfície do eletrodo, as
propriedades físicas e químicas dos filmes poliméricos resultantes têm sido
paralelamente aproveitadas para realizar funções que vão desde a seletividade
(através da exclusão de interferentes por tamanho ou por carga elétrica) até a
mediação de elétrons dos sítios ativos da própria enzima quando imobilizada no
polímero. A barreira difusional estabelecida pela presença do filme polimérico
é também um recurso usado para ampliar a linearidade de resposta do sensor a
concentrações mais altas do analito. O grande interesse pelo uso de
eletropolimerização advém da facilidade de aprisionar espécies químicas e
biológicas e de controlar a quantidade de material depositado, que por sua vez
ocorre apenas na superfície eletroativa. Assim, pré-concentração,
reconhecimento molecular, eletrocatálise, filmes e barreiras difusionais são
recursos importantes na elaboração de novos sensores. Combinações destes
recursos, que alguns autores costumam chamar de coquetéis, têm inclusive dado
origem a biossensores comerciais.
A Tabela_1 apresenta uma coletânea dos EIs modificados apresentados na
literatura, excetuando os sensores de estado sólido para gases, vapores e
umidade. Esta tabela reúne estratégias e detalhes dos mais variados métodos de
modificação empregados. Percebe-se uma predominância no desenvolvimento de
sensores para glicose, seguida à distância por lactose e pesticidas. O
excepcional desempenho da amperometria é atestado por ser a técnica preferida
em cerca de 85% dos casos. Em complementação a Tabela_1 poderíamos citar outros
EIs para glicose52,119-126, lactato47,51,127, pesticidas53,128-130 e
salicilato131. A análise de traços tem sido também favorecida com o
desenvolvimento de novos EIs contendo ligantes132 e até mesmo resinas
trocadoras de íons133,134 que oferecem uma nova alternativa ao uso de eletrodos
de mercúrio. Uma consulta à tabela_1 colocará o leitor a par dos principais
elementos e estratégias que vêm sendo utilizados na elaboração de EIs
modificados.
7. SENSORES PARA GASES, VAPORES E UMIDADE
A tecnologia de "screen-printing" encontra larga aplicação no
desenvolvimento de sensores de estado sólido para gases, vapores e umidade sem
adição de eletrólito de suporte. Nestes sensores, a área do eletrodo desempenha
um papel fundamental na sensibilidade. Para obtenção de uma superfície com
estrutura tridimensional porosa e de elevada área de contato, o processo de
cura é efetuado a altas temperaturas visando expulsar o ligante da pasta. Menil
et al.135 propuseram uma rota para a preparação de sensores para gases onde
consideram inclusive a possibilidade de se aumentar a sensibilidade do sensor
aplicando pressão mecânica para imprimir um filme isento de ligante, ao invés
de eliminar o ligante na etapa de cura do processo convencional.
Os EIs para gases, vapores e umidade são geralmente condutimétricos e usam SnO2
como material base. O sensor completo contém um par de eletrodos metálicos
sobre ou sob o filme sensível ao analito, e um aquecedor no lado oposto, todos
impressos num único suporte inerte. A sensibilidade e seletividade do sensor
dependem intrinsecamente da natureza do filme sensível e da temperatura de
operação.
A tecnologia de "screen-printing" é as vezes utilizada em conjunto
com outras tecnologias136-143. Lampe et al.137, p. ex., utilizaram
"sputtering" reativo para o desenvolvimento da superfície sensível e
"screen-printing" para os eletrodos e para o aquecedor, enquanto Lee
& Choi143 utilizaram "screen-printing" para o desenvolvimento da
superfície sensível e evaporação a vácuo para os eletrodos. Tieman &
Heineman69elaboraram um sensor amperométrico para oxigênio utilizando um
polímero hidrofílico para eliminar a adição de eletrólito de suporte. Neste
último caso se faz necessário a presença de eletrodos de referência e auxiliar
também impressos no sensor.
Há um grande número de publicações recentes explorando a tecnologia de
"screen-printing" para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos
de gases como oxigênio69,112,141,144-146, gás sulfídrico65,147-153, gás
carbônico139,144,146, 154,155, monóxido de carbono137,140,146,153, 156-167,
hidrogênio144,159,167-170, hidrocarbonetos135,143,146,157,159,160, 162,163,
171-176, óxidos de nitrogênio136,161,163, amônia177 e fosfina135; de vapores de
álcoois138,156, 157,178-182 e tetracloreto de carbono183 e de
umidade156,178,184-190.
8. REDES DE MICROELETRODOS FABRICADAS POR TECNOLOGIA DE "SCREEN-
PRINTING"
O interesse na aplicação de microeletrodos em química analítica está
relacionado a suas propriedades únicas tais como maior eficiência no transporte
de massa, menor tempo de resposta, reduzida queda ôhmica e melhor relação
sinal-ruído em comparação com eletrodos de tamanho convencional. Estas
propriedades derivam de suas dimensões e da predominância de difusão radial em
eletrodos de raio micrométrico ou submicrométrico191-193.
A dificuldade de construção de microeletrodos é apontada como a razão principal
de sua baixa popularidade. Entre os diversos procedimentos de confecção
apresentados na literatura, destacam-se aqueles que possibilitam a preparação
de redes de microeletrodos. Numa rede, as propriedades de cada microeletrodo
individual são preservadas enquanto as correntes medidas correspondem à soma
das contribuições individuais, evitando assim a necessidade de grande
amplificação de corrente. Algumas redes são multicanais, ou seja, permitem o
controle individual de cada eletrodo ou de grupos de eletrodos. Recentemente,
foi desenvolvido em nosso laboratório um dos procedimentos mais simples de
fabricação de redes multicanais de microeletrodos de ouro (25µm de diâmetro)
que pode ser praticado em laboratórios em geral194, 195.
O enorme desenvolvimento da tecnologia planar de filmes finos, especialmente
para produção de circuitos integrados em substratos de silício, tem
proporcionado os avanços mais significativos na fabricação de redes de
eletrodos em forma de microdiscos regulares de extrema qualidade dimensional6,
196. No entanto, as diversas etapas de química úmida envolvidas nos processos
de microlitografia limitam muito suas aplicações no desenvolvimento de
sensores59. E mais, os equipamentos empregados em microlitografia para os
processos de deposição tais como "sputtering", são comuns apenas a
laboratórios especializados de microeletrônica.
Redes de microeletrodos podem ser produzidas utilizando-se tecnologias de
filmes espessos. Segundo Brainina & Bond19, um eletrodo de filme espesso de
grafite-epoxy comporta-se de forma similar a uma rede de microdiscos de grafite
distribuídos aleatoriamente numa superfície da resina epoxy e apresenta todas a
propriedades de microeletrodo teoricamente previstas.
A tecnologia de "screen-printing" combinada com a polimerização a
vácuo de uma camada de material dielétrico, seguida por um processo de
fotoabrasão do dielétrico com raio laser (utilizando uma fotomáscara para
definir o contorno dos eletrodos), foi empregada com sucesso na preparação de
redes de microeletrodos contendo 1000-3000 microdiscos em suporte plástico59.
Uma rede de microeletrodos de carbono, produzida comercialmente por um processo
similar a esta última, foi aplicada como eletrodo descartável no monitoramento
de metais pesados em análise de campo61. Análise rápida de traços de chumbo com
baixos limites de detecção foi realizada utilizando uma rede de 287
microeletrodos de filme de mercúrio (15-35µm de diâmetro), baseada nesta mesma
rede comercial de eletrodos58. Naturalmente, a tecnologia de "screen-
printing" também se aplica à elaboração de redes de eletrodos de tamanho
convencional197,198. Scholze et al.197 desenvolveram uma rede multicanal de EIs
de tamanho convencional (1,5 mm de diâmetro), modificados individualmente com
diferentes enzimas, ajustável a um soquete eletrônico de 28 pinos, que
possibilita a determinação simultânea de glicose, sacarose e ácido ascórbico.
Redes de microeletrodos de bandas podem ser também facilmente confeccionadas
por "screen-printing"113,199.
CONCLUSÕES
A crescente demanda por sensores descartáveis e equipamentos portáteis para a
descentralização de análises químicas exige o emprego de tecnologias de
produção em massa. Embora nenhuma tecnologia tenha sido ainda aceita como
majoritária na elaboração de eletrodos descartáveis, o uso de "screen-
printing" vem crescendo em popularidade e pode se tornar uma técnica
padrão, particularmente devido a sua simplicidade e adequação a laboratórios em
geral. Os EIs apresentam excelente desempenho analítico e reúnem as
características de modificação de eletrodos sólidos em geral e de eletrodos de
pasta de carbono (o modificador pode ser incorporado à tinta), além de serem
compatíveis com instrumentos miniaturizados e portáteis. Eletrodos de
referência e auxiliar podem também ser impressos, o que facilita a elaboração
de pequenas células eletroquímicas como as CEDs. A confecção de redes de
microeletrodos pode ser efetuada, p. ex., cobrindo o EI com um filme isolante e
em seguida efetuando perfurações nesse filme com raio laser. Todos estes
procedimentos foram altamente beneficiados com conhecimentos herdados da área
de circuitos impressos, cujos novos avanços deverão contribuir ainda mais no
desenvolvimento de eletrodos descartáveis.
O uso dos eletrodos tradicionais de gota pendente de mercúrio, ou de filmes de
mercúrio sobre carbono vítreo ou sobre metais nobres, principalmente na famosa
análise de metais pesados por "stripping", vem sendo substituído pelo
uso dos EIs livres de mercúrio, o que é extremamente importante do ponto de
vista ambiental quando se pensa em eletrodos descartáveis. O sucesso da
incorporação de ligantes132 e até mesmo resinas trocadoras de íons133, 134 à
tinta, abre novas e largas possibilidades para a análise de traços. O uso de
apenas um, dois ou mais eletrodos por muitos químicos em geral, seja durante
pesquisas para desenvolvimento de novos métodos eletroanalíticos ou de novos
sensores ou mesmo em trabalhos de rotina, pode vir a ser substituído brevemente
pelo uso de dezenas, centenas ou mais EIs descartáveis.
A associação de tecnologias de produção em massa com recursos de modificação de
eletrodos, tais como incorporação de materiais catalíticos, mediadores,
membranas e enzimas, já resultaram no desenvolvimento de inúmeros sensores
descartáveis, como o biossensor de glicose para pacientes diabéticos96, 200
disponível comercialmente. No entanto, os resultados alcançados até o presente
momento indicam que os maiores avanços ainda estão por vir com a pesquisa de
novas formulações de tintas, com propriedades específicas para viabilizar ou
otimizar p. ex. a imobilização de determinados componentes biológicos no
desenvolvimento de novos biossensores. A formulação de HMIs que incorporam
processos sol-gel é um exemplo das grandes possibilidades a serem melhor
exploradas nesta área.
