Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
IZABELA GUTIERREZ DE ARRUDA
FILMES AUTOMONTADOS CONTENDO
NANOPARTÍCULAS DE SiO2: APLICAÇÃO EM SENSORES E
BIOSSENSORES DE EFEITO DE CAMPO
CUIABÁ-MT
2011
IZABELA GUTIERREZ DE ARRUDA
FILMES AUTOMONTADOS CONTENDO
NANOPARTÍCULAS DE SiO2: APLICAÇÃO EM SENSORES E
BIOSSENSORES DE EFEITO DE CAMPO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Física da Universidade Federal de
Mato Grosso como parte dos requisitos para
obtenção do Titulo de Mestre em Física.
Área de concentração: Física
Orientador: Prof. Dr. Romildo Jeronimo Ramos
Co-orientador: Prof. Dr. Nirton Cristi Silva Vieira
CUIABÁ-MT
2011
FICHA CATALOGRÁFICA
A778f Arruda, Izabela Gutierrez de.
Filmes automontados contendo nanopartículas de SiO2: aplicação em sensores e
biossensores de efeito de campo / Izabela Gutierrez de Arruda. – 2011.
91 f. : il. color.
Orientador: Prof. Dr. Romildo Jerônimo Ramos.
Co-Orientador: Prof. Dr. Nirton Cristi Silva Vieira.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de
Física, Pós-Graduação em Física, Área de Concentração: Física, 2011.
Bibliografia: f. 85-91.
1. Física da matéria condensada. 2. Física – Química – Engenharia de materiais.
3. Filmes automontados (Física). 4. Filmes – Nanopartículas (Física). 5.
Sensores – Efeitos de campo. 6. Biossensores – Efeito de campo. 7. Pesticida. I.
Título.
CDU –538.9
Ficha elaborada por: Rosângela Aparecida Vicente Söhn – CRB-1/931
DEDICATÓRIA
Ao meu esposo Sidney Gomes de Arruda.
Obrigada por todo amor, cuidado, respeito e
carinho durante esse tempo. Te amo.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, à Deus que guia os meus passos a cada novo amanhecer, me
dando a vida, o alimento, a força, a sabedoria, a paz e a alegria.
À minha família querida, que sempre está ao meu lado. Obrigada pela torcida.
Essa vitória também é de vocês.
Ao meu orientador prof. Dr. Romildo Jeronimo Ramos, pela disponibilidade,
dedicação, paciência, contribuição imprescindível com que desempenhou o seu papel de
orientador zeloso. Jamais me esquecerei de seu ensinamento de que “o sucesso só vem na
frente do trabalho no dicionário”. Que Deus lhe abençoe e muito obrigada por ter acreditado
em mim para realizar este trabalho.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Física da UFMT que com
determinação me ensinaram o caminho do ensino e da pesquisa.
Ao meu co-orientador e amigo Dr. Nirton Cristi Silva Vieira (IFSC/USP) que não
mediu esforços e apoio para a realização deste trabalho, que diz, “é tão bom quando alguém
gosta da gente sem interesse”. Na Bíblia está escrito que: “mas há amigo mais chegado do que
um irmão” (Provérbios 18:24b). Você não é apenas um amigo e sim um irmão, muito obrigada
por tudo e que Deus lhe abençoe com todas as ricas sortes de bênçãos, contidas na Sua
Palavra.
Aos professores: Prof. Dr. Francisco E. G. Guimarães (IFSC/USP), Prof. Dr.
Edson Ferreira Chagas (IF/UFMT) e Prof. Dr. Rogério Junqueira Prado (IF/UFMT) pelo
apoio na aquisição de materiais para a realização do trabalho.
Ao Prof. Dr. Ailton José Terezo (DQ/UFMT) pelas discussões e empréstimo do
Laboratório Físico-Química, durante a realização do trabalho.
A Profª. Drª. Marilza Castilho pelo empréstimo do Laboratório.
Ao Prof. Dr. Wanderlei Pignati do Instituto de Saúde Coletiva (UFMT) pelo
material de pesquisa disponibilizado.
A todos do grupo GENMAT/DQ/UFMT (Laboratório Físico-Química), aprendi
muito com a amizade de vocês.
Aos amigos de perto e de longe.
Aos amigos de turma do mestrado, Adriana, Ana Paula, Alessandro, Ariel, José,
João, Lucas, Rodrigo (“o químico”) e Thiago que contribuíram para que eu chegasse até aqui.
Aos colegas de todo mestrado e da graduação da física que também participaram e
colaboraram para a minha aprendizagem.
A minha amiga Andréia pelas horas dedicadas e pelo auxílio no laboratório,
também pelo carinho, que Deus levante sempre pessoas para te ajudar em sua caminhada.
Aos professores, coordenadores, técnicos, funcionários e a Diretora Prof. Vilce
Teixeira de Oliveira da Escola Estadual Profª. Vanil Stabilito (VG) pelo apoio, compreensão,
carinho e respeito.
A Pastora Mara Rubia, pelo apoio em orações nos momentos mais difíceis, pela
confiança depositada e fé compartilhada.
A minha avó amada, “Dona Izabel” por ser um alicerce em minha vida e um
exemplo de superação e amor.
Ao meu esposo Sidney, que é parte de mim e me faz sentir como águia, pois
permite que eu voe sempre mais alto, acreditando e apostando em meus sonhos.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.
“Uma vida produtiva não é obra do acaso!”
“Sua sabedoria determina sua força,
Sua força determina sua resistência,
Sua resistência determina seu sucesso."
Mike Murdock
“Eu sei que se eu te obedecer
E se Tua voz eu ouvir,
E seus mandamentos guardar, serei
Bendito por onde eu passar
As suas bênçãos vou receber
O Teu favor vai me alcançar”.
Regis Danese
“Toda a Escritura é inspirada por Deus e útil
para o ensino, para a repreensão, para a
correção, para a educação na justiça, a fim de
que o homem de Deus seja perfeito e
perfeitamente habilitado para toda boa obra.”
II Timóteo 3:16-17
RESUMO
Neste trabalho foi estudado um sistema híbrido constituído de um eletrodo de
vidro recoberto com ouro (Au), convenientemente modificado com nanopartículas de dióxido
de silício (SiO2-Np). Filmes contendo SiO2-Np foram fabricados pela técnica de
automontagem camada por camada (LbL) utilizando o polímero polialilamina hidroclorada
(PAH) como contra íon. O crescimento das multicamadas de PAH/SiO2-Np foi monitorado
por espectroscopia de absorção ultravioleta-visível (UV-Vis) e a morfologia dos filmes foi
analisada por microscopia de força atômica (AFM). A plataforma PAH/SiO2-Np foi aplicada
como sensor de pH baseado no conceito de efeito de campo e como suporte para a
imobilização da enzima acetilcolinesterase (AChE) visando à detecção potenciométrica do
neurotransmissor acetilcolina (ACh) e do pesticida organofosforado metamidofós. Avaliados
através de medidas de voltagem de saída de um dispositivo de efeito de campo, os sensores se
mostraram eficazes para a detecção de pH, apresentando sensibilidade próxima a valores
comumente encontrados para o Si em bulk (~40 mV/pH). Modificados com a enzima AChE o
sistema também se mostrou promissor para a detecção e quantificação potenciométrica da
acetilcolina e do metamidofós. A AChE atua na degradação da ACh alterando o potencial
elétrico do meio devido à presença de íons H+. Como a enzima tem sua ação inibida na
presença do metamidofós, foi possível então a detecção de pequenas concentrações desse
pesticida, medindo-se o percentual de inibição enzimática da plataforma modificada
enzimaticamente. Como vantagens potenciais, destacam-se a simplicidade na confecção do
eletrodo, a possibilidade de construção em escala industrial e não necessidade de recursos
humanos qualificados para operação do dispositivo bem como o seu baixo custo de
processamento.
Palavras-chave: Nanopartículas. Efeito de campo. Sensor de pH. Biossensor.
Acetilcolinesterase. Pesticidas
ABSTRACT
In this work, we study a hybrid system consisting of a glass electrode coated with gold (Au),
suitably modified with nanoparticles of silicon dioxide (SiO2-Np). SiO2-Np containing films
fabricated by the self-assembly technique, layer by layer (LBL), using polyallylamine
hydrochloride (PAH) as counter ion. The growth of multilayer PAH/SiO2-Np was monitored
by absorption spectroscopy, ultraviolet-visible (UV-Vis) and morphology of the films was
analyzed by atomic force microscopy (AFM). The platform PAH/SiO2-Np was applied as
a pH sensor based on the concept of field effect and as support for the immobilization of the
enzyme acetylcholinesterase (AChE) seeking the potentiometric detection of the
neurotransmitter acetylcholine (ACh) and the organophosphate pesticide methamidophos.
Evaluated by measurements of output voltage of a field effect device, the sensors have been
proven effective for the detection of pH, showing sensitivity to values close to
those commonly found in bulk Si (~ 40 mV/pH). AChE modified with the enzyme
system also showed promise for the potentiometric detection and quantification of
acetylcholine and methamidophos. AChE acts in the degradation of ACh by altering the
electrical potential of the medium due to the presence of ions H+. As the enzyme has its
action inhibited in the presence of methamidophos was then possible to detect small
concentrations of this pesticide by measuring the percentage of enzyme inhibition
of enzymatically modified platform. As potential advantages include the simplicity in making
the electrode, the possibility of building on an industrial scale and no need for qualified
human resources for the device operation and its low cost processing.
Keywords: Nanoparticles. Field Effect. pH Sensor. Biosensor. Acetylcholinesterase.
Pesticides.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Diagrama com as características da estrutura física de um transistor de efeito de
campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET).14
..................................................................... 26
Figura 2.2 – Representação simplificada do MOSFET em um circuito elétrico.14
.................. 27
Figura 2.3 – Operação básica e características do dispositivo MOSFET com tensão VGS e VDS aplicada.
15 ................................................................................................................................. 29
Figura 2.4 – Curvas características IDS x VDS de um MOSFET tipo n. .................................... 30
Figura 2.5 – Diagrama do transistor de efeito de campo seletivo a íons (ISFET). ................... 31
Figura 2.6 – Curvas características IDS x VDS de um ISFET. .................................................. 32
Figura 2.7 – Representação do sistema de medida de um SEGFET. (a) Usando um MOSFET
comercial, (b) Usando um amplificador operacional. .............................................................. 33
Figura 2.8 – Esquema representando a superfície da membrana do SiO2 em contanto com uma
solução eletrolítica. ................................................................................................................... 35
Figura 2.9 – Elementos básicos que compõem um biossensor................................................. 37
Figura 2.10 – Detecção de pesticida. ........................................................................................ 40
Figura 3.1 – Esboço esquemático do processo de produção de filmes nanoestruturados pela
técnica LbL, adaptado51
............................................................................................................ 43
Figura 3.2 – Fórmula estrutural do polímero PAH. .................................................................. 47
Figura 4.1 – Estrutura química geral dos pesticidas: (a) organofosforado e (b) carbamato. .... 50
Figura 4.2 – Fórmula estrutural do metamidofós. .................................................................... 52
Figura 4.3 – Esquema do sistema nervoso central, enzima AChE, neurotransmissor ACh e
pesticidas OF e CARB. ............................................................................................................. 54
Figura 5.1 – Célula eletrolítica utilizada nos experimentos com o eletrodo de referência e o
eletrodo de trabalho. ................................................................................................................. 57
Figura 5.2 – Esquema representativo de construção do eletrodo modificado PAH/SiO2-Np via
automontagem (a) e imobilização da enzima no mesmo (b). ................................................... 60
Figura 5.3 – Esquema do sistema de medidas do SEGFET mostrando o diagrama de conexão
do amplificador operacional LF356. ........................................................................................ 61
Figura 5.4 – Esquema do sistema utilizado na detecção do neurotransmissor acetilcolina e do
pesticida metamidofós. ............................................................................................................. 62
Figura 5.5 – Espectrofotômetro UV-Visível ............................................................................ 63
Figura 6.1 – Espectro de absorbância da solução de PAH. ...................................................... 66
Figura 6.2 – Espectro de absorbância da dispersão das nanopartículas de SiO2. ..................... 66
Figura 6.3 – Espectro de absorbância das bicamadas de PAH/SiO2-Np. Condições
experimentais: substrato imerso 10 min no PAH, 10 min nas nanopartículas e para ambos o
processo de lavagem foi de 1 min. ........................................................................................... 67
Figura 6.4 – Absorbância a 350 nm em função do número de bicamadas depositadas dos
filmes PAH/SiO2-Np. ............................................................................................................... 68
Figura 6.5 – Micrografias AFM de filmes LbL de PAH/SiO2-Np (1 bicamada): 2D (a) e 3D
(b). ............................................................................................................................................ 69
Figura 6.6 – Micrografias AFM de filmes LbL de PAH/SiO2-Np (3 bicamadas): 2D (a) e
3D(b). ........................................................................................................................................ 70
Figura 6.7 – Micrografias AFM de filmes LbL de PAH/SiO2-Np (5 bicamadas): 2D (a) e
3D(b). ........................................................................................................................................ 70
Figura 6.8 – Resposta ao pH apenas do substrato de vidro recoberto com Au ........................ 71
Figura 6.9 – Sensibilidade ao pH apenas do substrato de vidro recoberto com Au. ................ 72
Figura 6.10 – Resposta ao pH do filme de 1 bicamada de PAH/SiO2-Np em Au. ................... 73
Figura 6.11 – Resposta ao pH do filme de 3 bicamadas de PAH/SiO2-Np em Au. ................. 73
Figura 6.12 – Resposta ao pH do filme de 5 bicamadas de PAH/SiO2-Np em Au. ................. 74
Figura 6.13 – Sensibilidade ao pH dos filmes de 1, 3 e 5 bicamadas de PAH/SiO2-Np em Au
.................................................................................................................................................. 75
Figura 6.14 – Sinal do biossensor PAH/SiO2-Np – AChE para detectar 1,0 mM de acetilcolina
.................................................................................................................................................. 76
Figura 6.15 – Sensibilidade à acetilcolina de filmes do biossensor PAH/SIO2-Np – AChE.
Condições de medida: pH 7.4, 5 mM. ...................................................................................... 77
Figura 6.16 – Curva de calibração do biossensor PAH/SIO2-Np – AChE. Condições de
medida: pH 7.4, 5 mM. ............................................................................................................. 77
Figura 6.17 – Sinal característico do sistema biossensor para determinação de uma
concentração conhecida de acetilcolina (linha em preto) e o sinal medido para a mesma
concentração de acetilcolina após incubação do eletrodo em solução contendo uma
concentração conhecida do pesticida metamidofós (linha em azul)......................................... 79
Figura 6.18 – Curva analítica para determinação do pesticida metamidofós expressa em
porcentagem de inibição enzimática. (● Dose letal (DL50) oral do produto formulado em
ratos). ........................................................................................................................................ 80
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Média anual de uso de agrotóxicos em litros, com maior utilização entre 2005 a
2010 por tipo de uso e classe toxicológica no estado de Mato Grosso. ................................... 51
Tabela 2 - Resultado das micrografias AFM de filmes LbL de PAH/SiO2. ............................. 69
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABS – Absorbância
ACh – Acetilcolina
AChE – Acetilcolinesterase
AFM – Microscopia de Força Atômica
Ag/AgCl – Prata/Cloreto de Prata
Al2O3 – Óxido de Alumínio
ANVISA – Agência Nacional de Vigilância Sanitária
AO – Amplificador Operacional
Au – Ouro
B – Corpo
CARB – Carbamato
D – Dreno
DA – Neurotransmissor Dopamina
DL50 – Dose Letal
DQ – Departamento de Química
E – Enzima
EGFET – Transistor de Efeito de Campo de Porta Estendida
EI – Complexo Inativo
EIS – Eletrólito-Isolante-Semicondutor
E-LbL – Eletrostatic Layer-by-Layer
ENFET – Transistor de Efeito de Campo Enzimático
Eref – Eletrodo de Referência
ES – Complexo Enzima-Substrato
FED – Dispositivo de Efeito de Campo
FET – Transistor de Efeito de Campo
FIOCRUZ – Fundação Oswaldo Cruz
G – Porta
GA – Glicose Amilase
GENMAT – Grupo de Eletroquímica e Novos Materiais
GOx – Glicose Oxidase
H+ – Íons de Hidrogênio
H2O2 – Peróxido de Hidrogênio
HCl – Ácido Clorídrico
I – Inibidor
iD – Corrente do Dreno
IDS – Corrente Dreno/Fonte
IF – Instituto de Física
IFSC – Instituto de Física de São Carlos
iG – Corrente da Porta
In2O3 – Óxido de Índio
INDEA-MT – Instituto de Defesa Agropecuária do Estado de Mato Grosso
iS – Corrente da Fonte
ISC – Instituto de Saúde Coletiva
ISFET – Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons
ITO – Óxido de Índio e Estanho
IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry
JFET – Transistor de Efeito de Campo de Junção
k – Constante de Boltzmann
k1 – Constante da Velocidade para Formação do Complexo ES
k2 – Constante da Velocidade para Dissociação do Complexo ES
KCl – Cloreto de Potássio
ki – Constante de Equilíbrio para Ligação do Inibidor com a Enzima
KMnO4 – Permanganato de Potássio
L – Comprimento do Canal
LbL – Camada-por-Camada ou Layer-by-Layer
LC50 – Concentração Letal
[Metamidofós] – Concentração de Metamidofós
MOSFET – Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor
MT – Mato Grosso
MW – Peso Molecular
MWNTs – Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas
n – Elétrons
N2 – Gás Nitrogênio
NaOH – Hidróxido de Sódio
NH3+ – Íon Amônia
NiTsPc – Ftalocianina Tetrasulfonada de Níquel
OF – Organofosforado
OH- – Hidroxila
p – Lacunas
P – Produto
PAH – Polialilamina Hidroclorada
PAMAM – Poli (amidoamina)
PANI – Polianilina
pH – Potencial Hidrogeniônico
pHpzc – Valor do pH do Ponto de Carga Zero
PPDA – Poli (dialildimetilamônio)
PPID – Poli (propileno imina)
PSS – Poli (estireno sulfonado)
q – Carga Elementar
S – Fonte
(S) – Substrato
SEG – Porta Estendida e Separada
SEGFET – Transistor de Efeito de Campo de Porta Estendida e Separada
Si – Silício
Si3N4 – Nitreto de Silício
SiO2 – Dióxido de Silício
SiO2-Np – Nanopartículas de Dióxido de Silício
SnO2 – Óxido de Estanho
SWCNTs – Nanotubos de Carbono de Parede Única
Τ – Temperatura Absoluta
Ta2O5 – Óxido de Tântalo
UFMT – Universidade Federal de Mato Grosso
USP – Universidade de São Paulo
UV-Vis – Espectroscopia de Absorção na Região do Ultravioleta-Visível
VDS – Tensão Dreno/Fonte
VG – Várzea Grande
VGS – Tensão Porta/Fonte
VT – Tensão Limiar
ZnO – Óxido de Zinco
β – Parâmetro que Reflete a Sensibilidade do Material da Porta
ψ – Potencial de Superfície do Óxido
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .............................................................................. 21
2 SENSORES DE EFEITO DE CAMPO ....................................... 25
2.1 Transistor de Efeito de Campo ....................................................................................... 25
2.2 MOSFET ......................................................................................................................... 26
2.2.1 Princípio de Funcionamento do MOSFET ........................................................................... 27
2.3 ISFET .............................................................................................................................. 30
2.4 SEGFET .......................................................................................................................... 33
2.5 Sensibilidade SiO2/Solução Eletrolítica .......................................................................... 34
2.6 ISFETs como Biossensores de Pesticidas ....................................................................... 36
3 FILMES AUTOMONTADOS CAMADA POR CAMADA
(LbL) ................................................................................................... 41
3.1 Filmes LbL Contendo Materiais Nanoestruturados ........................................................ 41
3.2 Sensores de Efeito de Campo Baseados em Filmes LbL ................................................ 44
3.3 Biossensores de Efeito de Campo Baseados em Filmes LbL ......................................... 45
3.4 PAH/SiO2 em Filmes LbL .............................................................................................. 47
4 PESTICIDAS, ACETILCOLINESTERASE E ACETIL-
COLINA ............................................................................................. 49
4.1 Pesticidas Organofosforados e Carbamatos .................................................................... 49
4.2 Acetilcolinesterase e Acetilcolina ................................................................................... 53
5 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................... 57
5.1 Materiais Utilizados ........................................................................................................ 57
5.2 Limpeza das vidrarias e substratos ................................................................................. 58
5.3 Preparação dos filmes PAH/SiO2 ................................................................................... 58
5.4 Configuração Experimental do Dispositivo SEGFET .................................................... 60
5.5 Configuração Experimental dos Biossensores de Acetilcolina e Pesticida .................... 61
5.6 Técnicas de Caracterização ............................................................................................. 62
6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................... 65
6.1 Crescimento e Caracterização dos Filmes ...................................................................... 65
6.1.1 Espectroscopia na Região do UV-Vis .................................................................................. 65
6.1.2 Microscopia de Força Atômica (AFM) ................................................................................ 68
6.2 PAH/SiO2-Np: Sensor de pH .......................................................................................... 70
6.3 – PAH/SiO2: Biossensor de Acetilcolina ........................................................................ 75
6.4 PAH/SiO2: Biossensor de Pesticidas .............................................................................. 78
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................ 83
7.1 Conclusões ...................................................................................................................... 83
7.2 Perspectivas Futuras ....................................................................................................... 84
REFERÊNCIAS ................................................................................ 85
21
1 INTRODUÇÃO
Este trabalho tem como objetivos construir uma plataforma automontada
contendo nanopartículas de SiO2, desenvolver dispositivos de efeito de campo a baixo custo,
com boa sensibilidade e capacidade de detectar de forma rápida e eficaz íons H+, e também
produzir sensores e biossensores para a determinação de pH, de acetilcolina e do pesticida
metamidofós.
A motivação em realizar o trabalho surgiu do potencial agrícola no estado de
Mato Grosso (MT), pelo fato do estado ser um dos maiores produtores de grãos do Brasil o
que leva consequentemente, ao uso de uma grande quantidade de agrotóxicos para inibir as
pragas nessas lavouras. Assim, a construção de um biossensor para a detecção de pesticidas,
sobretudo o metamidofós, que é altamente tóxico e o mais utilizado em MT é interessante
tanto do ponto de vista acadêmico, quanto comercial. O SiO2, por ser um material sensível ao
pH foi empregado juntamente com a técnica de automontagem camada por camada, uma
técnica que não necessita de equipamentos sofisticados e caros, juntamente a dispositivos de
efeito de campo como transdutores de sinal.
Segundo a IUPAC1 (International Union of Pure and Applied Chemistry), um
sensor químico “é um dispositivo que transforma a informação química, referente à
concentração de um componente específico de uma amostra, para análise de sua composição
total, em um sinal analiticamente utilizável. Essas informações químicas podem ser
provenientes de uma reação química do analito ou de uma propriedade física do sistema
investigado”. Porém, quando estes dispositivos são projetados para fornecer informação
analítica específica quantitativa, ou semi-quantitativa, de análise seletiva usando um elemento
de reconhecimento biológico2 em contato direto com um transdutor que apresenta a
propriedade de transformar uma informação química em um sinal elétrico mensurável, eles
são chamados de biossensores1 e podem ser usados em diversas aplicações ambientais, tais
como detecções de pesticidas.3
Existem diversos tipos de sensores que podem ser classificados de acordo com os
princípios físicos e químicos sobre os quais eles estão fundamentados (temperatura, luz, som,
calor, radiação, tensão elétrica, pressão, eletroquímica, entre outros).4 Para tal, o elemento de
reconhecimento químico ou biológico é convenientemente imobilizado em um suporte (filme)
apropriado.5
22
Diversas técnicas têm sido utilizadas para a construção de filmes finos aplicáveis
como eletrodos em diversos tipos de sensores e biossensores.6,7
Entre elas, a técnica de
automontagem (LbL, do inglês layer by layer) se destaca para tal finalidade, pois possibilita
criar filmes multicamadas de diferentes materiais em escala nanométrica de maneira simples e
barata. Esses filmes podem ser utilizados como plataformas de detecção.8
Dentre os diversos tipos de sensores, destacam-se aqueles baseados em
dispositivos de efeito de campo (FED, do inglês Field Effect Device), sendo os mais
estudados e caracterizados os sensores de pH, com destaque para o ISFET (transistor de efeito
de campo sensível a íons).9 A determinação do pH é muito importante, pois diversos
processos bioquímicos são dependentes do seu valor.10
Neste sentido, estudos envolvendo
sensores e biossensores de efeito de campo utilizando uma plataforma automontada de
nanopartículas de dióxido de silício (SiO2-Np) foram construídos e aplicados para a
determinação de pH, do neurotransmissor acetilcolina e do pesticida metamidofós.
No desenvolvimento dessa pesquisa descobrimos que o estudo e processamento
de filmes através da técnica LbL baseados no polímero PAH e nas nanopartículas de SiO2 é
importante na aplicação em sensores e biossensores. Da mesma maneira, o eletrodo
modificado PAH/SiO2-Np-(AChE) encontra aplicabilidade como membrana quimicamente
sensível em dispositivos de efeito de campo com aplicação específica em sensores de pH,
biossensores de acetilcolina e ainda como biossensor com capacidade de detectar de forma
rápida e eficaz pequenas quantidades do pesticida metamidofós, podendo ser utilizado em
lavouras, indústria alimentícia ou onde quer que seja requerido um controle desse pesticida.
Dentre os diversos tipos de sensores que operam com o conceito de efeito de
campo, é apresentado no capítulo 2 uma breve revisão sobre os transistores de efeito de
campo (FETs), passando pela definição do funcionamento do transistor de efeito de campo
metal óxido semicondutor (MOSFET) e do ISFET, que já vem sendo utilizado como sensor
de pH com uma multiplicidade de membranas. O funcionamento de um dispositivo
alternativo ao ISFET, com o eletrodo de porta estendido e separado da parte de efeito de
campo (SEGFET) como opção para fabricação dos sensores a partir do efeito de campo e o
uso de SiO2 com sua aplicação como membrana quimicamente sensível em dispositivos de
FETs, destacando a interface SiO2/solução eletrolítica e o ISFET usado para detectar a
presença de pesticidas é discutido.
O capítulo 3 apresenta a técnica LbL, os materiais utilizados como membranas
sensíveis, o sistema de medida com dois eletrodos (eletrodo modificado e eletrodo de
referência), o esquema do circuito utilizado nas medidas, o desenvolvimento de sensores e
23
biossensores de efeito de campo baseado nessa técnica e também o uso de PAH/SiO2 em
filmes LbL.
No capítulo 4 é feito um resumo dos pesticidas organofosforados e carbamatos, da
enzima acetilcolinesterase e da acetilcolina, um importante neurotransmissor. No capítulo 5
são apresentados os materiais, equipamentos e métodos usados na preparação dos filmes. A
configuração experimental do dispositivo SEGFET, o uso desse dispositivo para produção de
biossensores de acetilcolina e de pesticidas e as técnicas de caracterização utilizadas (UV-Vis
e AFM) também são abordados.
No capítulo 6, são apresentados os resultados experimentais dos filmes LbL
PAH/SiO2-Np, utilizados como sensores de pH e biossensores da ACh e do pesticida
metamidofós.
24
25
2 SENSORES DE EFEITO DE CAMPO
Neste capítulo foram revisados os princípios físicos que descrevem dispositivos
baseados em transistores de efeito de campo (FETs), sua estrutura, operação, comportamento
como sensor sensível a íons, bem como seus aspectos práticos e teóricos baseando-se nas
características de corrente-tensão.
Entre os vários dispositivos de efeito de campo, três que se destacam como
sensores são apresentados: o MOSFET, o ISFET e o transistor de efeito de campo de porta
estendida e separada (SEGFET). O SiO2 foi o primeiro material utilizado como camada
sensível em ISFETs,9,11
portanto, a fundamentação da sensibilidade do mesmo, como camada
sensível usada em dispositivos de efeito de campo que fornecerão a fundamentação geral para
esse trabalho, também é descrita.
2.1 Transistor de Efeito de Campo
Segundo Macedo12
, um transistor é um componente eletrônico constituído por
semicondutores, capaz de exercer a maioria das funções das válvulas eletrônicas nos circuitos
elétricos. O transistor possui a propriedade de amplificação de um sinal elétrico e a função de
transdutor que converte uma grandeza física ou química em um sinal mensurável. Existem
dois tipos de transistores, classificados de acordo com o tipo de portador de carga, os
bipolares (elétrons e lacunas) e os unipolares (elétrons ou lacunas).13
O transistor de efeito de campo (FET do inglês Field Effect Transistor) é um
pequeno dispositivo semicondutor de três terminais, no qual a tensão entre dois terminais
controla a corrente que circula no terceiro terminal. Existem dois tipos principais de FET: o
JFET (transistores de efeito de campo de junção) e o MOSFET (transistores de efeito de
campo metal-óxido-semicondutor).14
A denominação FET advém da propriedade física do
dispositivo, sendo que a base de seu funcionamento está no campo elétrico criado pela tensão
aplicada no eletrodo de porta para controlar a corrente do dispositivo. O FET pode ser de
26
canal do tipo n (elétrons) ou canal p (lacunas), dependendo dos portadores n ou p que darão
origem à corrente elétrica. Logo, o FET compõe uma fonte de corrente controlada por
tensão.13
É um dispositivo confiável e de fácil fabricação, pode ter tamanho bem reduzido, é
resistente, produz pouco calor e ainda consome pouca energia.9
2.2 MOSFET
O MOSFET é um dispositivo semicondutor de estado sólido largamente utilizado
em circuitos eletrônicos, através da produção de sinais como chave para controlar correntes
nesses circuitos.13,14
A Figura 2.1 ilustra um diagrama com as características da estrutura
física de um MOSFET de canal n. Esse dispositivo é fabricado sobre um substrato ou corpo
(B) de silício do tipo p que é a sua base física, possuindo duas regiões isoladas e densamente
dopadas com portadores contrários aos do substrato, ou seja, portadores do tipo n. Essas
regiões são denominadas eletrodos fonte (S) e dreno (D), e são recobertas por uma fina
camada de dióxido de silício (cerca de 0,1 µm)2, que funciona como isolante elétrico.
Figura 2.1 – Diagrama com as características da estrutura física de um transistor de efeito de campo metal-óxido-
semicondutor (MOSFET).14
Porta (G) Fonte (S) Dreno (D)
Metal SiO2
(Isolante) Canal
n n
Substrato tipo p
Corpo (B)
L
27
Um contato de metal atravessa essa camada isolante, sobre as duas regiões (D) e
(S) que constituem o contato elétrico. A região entre a fonte e o dreno é denominada de canal
e tem comprimento L (cerca de 1 a 10 µm). Também um contato metálico é colocado sobre a
camada de óxido (SiO2) para formar o eletrodo porta (G) do dispositivo. O MOSFET possui
quatro contatos ou terminais de metal situados no dreno, na fonte, no substrato e na porta.
A camada isolante de SiO2 é responsável pela elevada impedância do MOSFET.
A elevada impedância de entrada é importante para que seja possível controlar a corrente no
canal n, ou seja, para que a corrente de porta (iG) seja zero ampère para qualquer polarização,
garantindo que não haja conexão elétrica direta entre o terminal da porta e o canal.15
Quando
um potencial elétrico é aplicado entre a porta e a fonte (VGS), a condutividade elétrica do
canal é ativada e o valor deste potencial aplicado é que define a intensidade da corrente
elétrica entre os eletrodos dreno e fonte.
O nome de dispositivo MOSFET é proveniente da sua estrutura física. A
arquitetura do dispositivo MOSFET é simétrica e, portanto, os contatos da fonte e do dreno
podem ser trocados sem modificar suas características. A Figura 2.2 é a representação do
MOSFET em um circuito elétrico.
Figura 2.2 – Representação simplificada do MOSFET em um circuito elétrico.14
2.2.1 Princípio de Funcionamento do MOSFET
Para ativar a circulação de corrente elétrica no canal, a fonte e o dreno devem
estar aterrados e uma tensão positiva ou negativa ser aplicada na porta. Deixando aterrada a
fonte, a tensão na porta surge em efeito entre a porta e a fonte que é representada por VGS
Porta (G)
Dreno (D)
Fonte (S)
28
(tensão porta/fonte). Dependendo da grandeza e da polaridade do potencial elétrico aplicado
entre a porta e a fonte, a condutividade elétrica do canal é ativada.
Na Figura 2.3 é apresentado o esquema de um MOSFET canal n quando uma
tensão positiva é aplicada na porta. Um canal n é criado sobre o substrato do tipo p abaixo da
camada isolante SiO2. Devido à tensão positiva aplicada na porta, as lacunas livres são
repelidas da região do substrato abaixo da porta (região do canal). Esta tensão (VGS) atrai
elétrons das regiões da fonte e do dreno para o canal e quando houver um número satisfatório
de elétrons perto da superfície do substrato sob a porta, uma região n é criada, ligando as
regiões da fonte e do dreno.
Na sequência, se uma tensão for aplicada entre o dreno e a fonte (VDS), uma
corrente passa a circular pela região n. A tensão aplicada na porta, controla o fluxo de
corrente elétrica entre a fonte e o dreno que circulará do dreno para a fonte na região do canal
n. Após ter induzido um canal n, aplica-se uma pequena tensão positiva VDS entre o dreno e a
fonte, essa tensão faz com que a corrente do dreno (iD) circule pelo canal n. A corrente se
forma pelo movimento dos elétrons livres da fonte para o dreno e a intensidade da corrente iD
esta sujeito a densidade de elétrons no canal e ao valor da tensão VGS aplicada. Para que a
condução de corrente no MOSFET ocorra, a corrente da porta (iG) deve ser zero e a corrente
que deixa o contato da fonte (iS) igual a corrente que entra no dreno (iD), ou seja iS=iD.
29
Figura 2.3 – Operação básica e características do dispositivo MOSFET com tensão VGS e VDS aplicada.15
Portanto, a tensão VGS modula a quantidade de portadores no canal e VDS é
responsável pela operação do MOSFET. A Figura 2.4 ilustra as curvas características IDS x
VDS de um MOSFET tipo n, para VGS > VT, onde VT (Tensão limiar) é o valor de VGS para o
qual um número suficiente de portadores se unem para formar um canal de condução.
Elétrons atraídos para a porta com
potencial positivo (canal n induzido)
Região de
depleção
Buracos
repelidos
pela porta
de potencial
positivo.
SiO2
G S D
e e e e e e e e e e e e e n n
p
+ + + + + + + + +
+ + + + + +
B +
VDS
-
iG = 0 iD iS = iD
+
VGS
-
30
VGS
4
VGS
3
VGS
2
VGS
1I D
S /
A
VDS
/ V
Figura 2.4 – Curvas características IDS x VDS de um MOSFET tipo n.
2.3 ISFET
Opondo-se aos métodos convencionais de detecção de pH (reagentes indicadores,
tiras de teste de pH, métodos de eletrodo metal e de vidro),10
Piet Bergveld introduziu o
conceito de efeito de campo para a medição das atividades de íons em ambiente químico
apresentando o ISFET à comunidade científica em 1970.11,16
O transistor de efeito de campo
seletivo a íons (ISFET) é muito semelhante em estrutura e funcionamento ao MOSFET.17
A
diferença básica entre esses dispositivos se refere a não existência do eletrodo metálico de
porta no ISFET, sendo este substituído por um eletrodo de referência e uma solução analítica,
contendo íons que estão em contato com a camada isolante (óxido) na região de porta,
conforme ilustrado na Figura 2.5.
O eletrodo de referência (Eref) usado no ISFET possui um potencial conhecido,
independente da solução analítica, e se mantém invariável em temperatura constante, contudo,
são as alterações na concentração dos íons da solução analítica que fornecem o potencial
variável na porta, que controla a condutividade do canal e o sinal de saída.4,9,17
Com exceção
da camada isolante, o ISFET é recoberto com um encapsulante que serve para isolar as
conexões elétricas da solução.17
31
Figura 2.5 – Diagrama do transistor de efeito de campo seletivo a íons (ISFET).
No dispositivo ISFET a escolha do óxido da camada isolante é a etapa mais
importante, pois a camada isolante do ISFET pode ser controlada através do uso de diferentes
materiais, dependendo da aplicação do dispositivo, sua sensibilidade varia de acordo com esse
material e a solução em que estiver sido imerso. Entre os materiais mais empregados como
membrana sensível ao pH em dispositivos ISFETs estão SiO2, Al2O3, Ta2O5, SnO2 e
Si3N4.18,19
Os íons contidos na solução analítica são absorvidos pela camada isolante e toda
mudança na concentração dos íons na solução provoca uma alteração na concentração dos
mesmos ao serem absorvidos. Logo, a alteração na concentração dos íons absorvidos produz
uma transformação no potencial entre a porta e a fonte, alterando a condutividade do canal,4 e
o sinal elétrico do canal é proporcional ao logaritmo da atividade dos íons na solução. Com
base na operação do MOSFET, a Figura 2.6 ilustra as curvas características IDS x VDS do
ISFET, sendo dependente do potencial hidrogeniônico (pH).
SiO2
Isolante
Encapsulante Solução
Analítica
Eletrodo de
referência (Eref)
Fonte (S) Dreno (D)
(B)
Substrato tipo p
n n
32
pH 2
pH 4
pH 6
pH 8
I DS /
A
VDS
/ V
Figura 2.6 – Curvas características IDS x VDS de um ISFET.
Estes sensores de efeito de campo sensíveis a íons são classificados como
sensores potenciométricos,20
visto que o potencial na superfície da porta do transistor é
medido em relação a um eletrodo de referência como, por exemplo, Ag/AgCl (prata/cloreto de
prata). O tamanho reduzido, o uso da microeletrônica na sua produção, a confecção em larga
escala, a resposta rápida, a alta impedância elétrica e ser inerte em ambientes agressivos,
demonstram características que qualifica o ISFET como um dispositivo para diversas
aplicações (experimentos eletrofisiológicos, sensores de temperatura e oxigênio, entre outras),
sendo a principal como sensor de pH de uma solução eletrolítica, por apresentar sensibilidade
a íons H+.9, 21
Apesar das muitas vantagens e dos grandes avanços nas últimas décadas na
utilização do ISFET, há uma corrida em busca de desenvolvimento de novas pesquisas e
tecnologias sobre os aspectos fundamentais e tecnológicos que melhorariam o funcionamento
desse tipo de sensor,22
sobretudo no encapsulamento dos dispositivos de modo que origine um
produto que não trouxesse instabilidade na resposta.23,24
As principais desvantagens em dispositivos ISFET são a imobilização de
biomoléculas em um suporte de dimensões reduzidas e o isolamento do FET do meio
reacional (solução eletrolítica). Por esta razão muitos pesquisadores buscam aperfeiçoar esses
dispositivos, o que já vêm sendo realizado através do desenvolvimento do transistor de efeito
de campo de porta estendida e separada (SEGFET).11,25
33
2.4 SEGFET
Os dispositivos SEGFETs operam com grande precisão e apresentam as mesmas
características operacionais de um ISFET.11
Contudo, esses dispositivos proporcionam a
vantagem de reutilizarem a parte FET em novas medições, e esta melhoria em relação à
prática existente, proporciona outras oportunidades de testar novos materiais ou técnicas para
a construção de membranas de detecção de forma simples e rápida.
Conforme ilustra a Figura 2.7, o SEGFET dispõe de uma membrana
quimicamente sensível que está ligada a um dispositivo de alta impedância de entrada.
Dependendo de sua configuração, os dispositivos SEGFETs, podem ser fabricados de dois
tipos: (a) Conectando a membrana de detecção no terminal da porta de um MOSFET
comercial (Figura 2.7a),11,26
ou (b) conectando a membrana de detecção no terminal de
entrada de um amplificador operacional (Figura 2.7b).27
O SEGFET é um dispositivo
comercial que pode ser reutilizável, apresentando simplicidade para a aplicação em
biossensores, visto que é mais estável por não necessitar mergulhar o MOSFET na solução de
medida.11
Figura 2.7 – Representação do sistema de medida de um SEGFET. (a) Usando um MOSFET comercial, (b)
Usando um amplificador operacional.
(a) (b)
Solução
Ref
Filme
-
+
6
- +
5
1
2
3
4
7
8
LF 356
1 – Offset Null 1
2 – Inverting input
3 – Non-inverting input 4 – Vcc-
5 – Offset Null 2
6 – Output
7 – Vcc+ 8 – N.C.
Solução
Membrana
sensível
Ref
MOSFET iD
S
D
G
VDS
Eletrômetro
VGS
34
Por apresentar diversas vantagens comparativamente ao ISFET, o SEGFET tem se
mostrado promissor em pesquisas de uma variedade de sensores e biossensores, porque
através desse sistema de medida, diversas espécies químicas podem ser detectadas de uma
maneira mais simples e pouco custosa. Portanto, destaca-se a busca por um processo de
produção da membrana de maneira simples e barata, onde tem se destacado as pesquisas de
novas membranas sensíveis para sensores de pH que apresentem comportamentos anfotéricos
(pode-se comportar como um ácido ou como uma base) e respondam em uma ampla faixa de
pH. Nos SEGFETs a escolha do material da membrana sensível (filme) é muito importante,
uma vez que a mesma deve apresentar estabilidade química ao entrar em contanto com a
solução que irá ser medida, ou seja, o pH da solução.
2.5 Sensibilidade SiO2/Solução Eletrolítica
O primeiro material utilizado como camada sensível de um ISFET foi o dióxido
de silício (SiO2) introduzido por Bergveld.16,17
Além do seu emprego isoladamente, é possível
também usá-lo em sanduíches com outros materiais. Como por exemplo, no trabalho de
Matsuo28
onde um sanduíche de dióxido de silício e nitreto de silício foi utilizado como
camada sensível em um ISFET. As superfícies de óxidos ou nitretos metálicos são
consideradas anfóteras, o que significa que a superfície do material pode conter sítios neutros,
protonizados ou desprotonizados, dependendo do pH da solução.9
Como dito anteriormente, os óxidos metálicos hidratados apresentam
sensibilidade ao pH devido às características anfotéricas. De acordo com o modelo de sítio de
ligação, a superfície do óxido contém sítios em três formas: SiOH (neutras), SiO- (negativas) e
SiOH2+
(positivas) onde o potencial de superfície é dependente do material da membrana e do
valor do pH da solução eletrolítica29
, ilustrado na Figura 2.8. Portanto, ocorrem na superfície
do óxido (membrana sensível SiO2) as seguintes reações de ligação:
+ +
2SiOH SiOH + H (2. 1)
+SiOH SiO + H
(2. 2)
35
Figura 2.8 – Esquema representando a superfície da membrana do SiO2 em contanto com uma solução
eletrolítica.
A concentração de íons H+ contidos na solução altera o potencial de superfície do
óxido (ψ), modulando a corrente entre os eletrodos fonte-dreno do ISFET de acordo com o
modelo de sítio de ligação (site-binding),30, 31
de acordo com a equação:9
pzc
2,3kT βψ = (pH - pH)
q β+1
(2. 3)
onde pHpzc é o valor do pH do ponto de carga zero, q é a carga elementar, k a constante de
Boltzmann, T a temperatura absoluta, β um parâmetro que reflete a sensibilidade química do
material da porta, sendo dependente da densidade superficial de grupos hidroxilas (OH) e da
reatividade de superfície.30
Esse modelo representa o equilíbrio entre os sítios anfotéros da
superfície do óxido e os íons H+ em solução, ou seja, é a estrutura responsável pelo
surgimento do potencial de superfície na membrana sensível devido à variação do pH na
solução eletrolítica.
Muitos trabalhos tem usado óxidos metálicos em membranas de detecção de pH,
pois a determinação do pH é um pré-requisito para muitos processos físicos, químicos e
biológicos, sendo a sensibilidade do sensor de pH um dos parâmetros mais importantes.
OH-
H+
H+
OH-
OH-
OH-
H+
OH-
H+
H+
OH-
H+
Superfície
Membrana SiO2 Solução
OH
O-
OH2+
O
Si
O
Si
O
Si
H+
OH-
H+
OH-
36
Como exemplo, o estudo de óxido de estanho como membrana de sensoriamento sobre o
transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET) desenvolvido por Chi et al.11, onde
os dados experimentais mostraram que a estrutura teve uma resposta linear com sensibilidade
de 56-58 mV/pH em intervalo de pH 2-12. Pan et al.32
desenvolveram um eletrodo de pH com
óxido de estanho e o resultado experimental mostrou a sensibilidade do pH próximo de 59,2
mV/pH. Entretanto, Batista e Mulato33
investigaram o uso de flúor dopado com filmes de
óxido de estanho para ser aplicado como membrana sensível em EGFET e quantificaram uma
sensibilidade linear de 50 mV/pH.
Para criarem dispositivos com sensores de pH, Futati et al.34
usaram nanotubos e
nanobastões de óxido de zinco (ZnO), cuja sensibilidade dos eletrodos de nanotubos e
nanobastões de ZnO ficaram próximos de 45,9 mV/pH e 28,4 mV/pH, respectivamente, em
pH 4-12. Todavia, Guerra e Mulato19
investigaram o óxido de vanádio/hexadecylamine e sua
aplicação como sensor de pH em EGFET na faixa de pH 2-12, o qual apresentou sensibilidade
de 38,1 mV/pH e assim, sugeriram que o óxido de vanádio poderia ser um componente ideal
em diversos dispositivos. Também, Lin et al.35
realizaram um estudo com o óxido de alumínio
como sensor de pH em EGFET, os quais apresentaram sensibilidade linear de
aproximadamente 56 mV/pH em pH 4-10. Da equação de Nernst espera-se que esses tipos de
dispositivos tenham sensibilidade máxima próxima de 59,2 mV/pH a 25 oC.
19,34 Diversos
materiais apresentam tal sensibilidade, como o óxido de tântalo (Ta2O5) e o dióxido de
estanho (SnO2).36,37
2.6 ISFETs como Biossensores de Pesticidas
A detecção de pesticidas tornou-se importante uma vez que altas doses dessas
substâncias podem causar danos irreversíveis aos seres humanos. Geralmente, a detecção
clássica de pesticidas é realizada por cromatografia e/ou espectroscopia.38
Esses métodos,
apesar de eficazes, requerem o treinamento de pessoal bem como o uso de equipamentos de
grande porte, complexos, de custo elevado e de resposta demorada, problema que pode ser
facilmente contornado com a utilização de biossensores, por serem dispositivos compactos,
práticos, e que dão respostas bem mais rápidas que os métodos convencionais. Nesses
dispositivos, os pesticidas podem ser quantificados diretamente,39
ou indiretamente.40
37
Os primeiros a desenvolver um biossensor, também conhecido por eletrodo
enzimático foram Clark e Lions em 1968,41
e a partir desse biossensor, muitos outros tipos
foram desenvolvidos para diferentes análises. Os biossensores eletroquímicos constituem-se
como a classe de biossensores mais antiga e utilizada por oferecerem alta especificidade,
baixo custo e limites de detecção.2 Dentre as classes de biossensores eletroquímicos
(amperométrica, potenciométrica, condutométrica ou impedanciométrica), destaca-se a
subclasse dos biossensores potenciométricos, onde uma alteração do potencial elétrico do
meio reacional modula o sinal de saída do dispositivo.2 Esse conceito de biossensor pode ser
aplicado para a determinação de diversas substâncias, inclusive pesticidas.42
As propriedades mais importantes para o funcionamento de um biossensor são
especificidade e a interação com o analito. Essa interação provoca alterações físico-químicas,
tais como geração de íons, elétrons, calor, entre outros, que são detectadas e medidas no
próprio transdutor. O componente biológico imobilizado deve reagir seletivamente com o
analito a ser determinado, e o transdutor deverá detectar apenas um reagente específico.43
A
Figura 2.9 apresenta os componentes básicos de um biossensor, onde a amostra contendo o
analito de interesse entra em contato com o biocatalisador que identifica o analito e interage
com ele, produzindo reações bioquímicas. Essa reação no biocatalizador produz um sinal que
pode ser eletroquímico e o transdutor conectado ao biocatalizador detecta e transforma esse
sinal biológico em um sinal elétrico que em seguida será amplificado, sendo por fim
processado.
Figura 2.9 – Elementos básicos que compõem um biossensor.
38
Biossensores para a detecção de pesticidas geralmente são construídos usando a
enzima Acetilcolinesterase (AChE) como componente biológico, e podem ser utilizados para
a detecção e quantificação de pesticidas organofosforados e carbamatos, que são largamente
empregados na agricultura como agrotóxicos (inseticidas, herbicidas, fungicidas, entre
outros). O uso desses pesticidas representa um grave risco para o homem, pois provoca a
contaminação de alimentos, rios, solos e a degradação do ambiente. Os pesticidas estão entre
as substâncias mais tóxicas existentes, porque seu modo de ação envolve principalmente a
inibição da AChE no sistema nervoso central, impedindo assim a hidrólise do
neurotransmissor acetilcolina (ACh). A enzima AChE está presente em vertebrados e insetos
e sua inibição aumenta o nível de acetilcolina nas regiões de comunicação entre os neurônios,
interrompendo a transmissão e propagação de impulsos nervosos,3,44
matando assim a praga
na lavoura de interesse.
Os ISFETs podem ser usados para desenvolver biossensores uma vez que esta
estrutura, amplia a área de superfície para imobilizar biomoléculas e aumentar a
sensibilidade.10,45-46
De acordo com o modo de transdução eletroquímica, os dispositivos
ISFETs com a enzima AChE imobilizada, são principalmente biossensores potenciométricos
Nos ISFETs como transdutores potenciométricos a variação do pH da solução é detectada.47
Muito do avanço no desenvolvimento de sensores e biossensores usados no monitoramento
ambiental, deve-se a qualificação da tecnologia ISFET que dependendo de alguns parâmetros,
tais como concentração e a solução utilizada na análise, oferece tempo de resposta rápida,
instrumentação de baixo custo, procedimento de operação simples, alta sensibilidade e
determinações em tempo real.48
O uso de pesticidas em práticas de agricultura moderna tem
incitado o desenvolvimento de novas tecnologias. Considerando o tempo de resposta, a
instrumentação, a sensibilidade e o tempo de vida, o transdutor ISFET como biossensor de
pesticida é bastante promissor, pois sua aplicação baseado na inibição da acetilcolinesterase é
sensível e adequado para uso como sensores descartáveis para controle ambiental.
Os inibidores das enzimas são substâncias que interferem na reação de catálise,
diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Os processos de inibição de enzimas
estão divididos em duas classes de inibidores: reversíveis e irreversíveis. A inibição reversível
pode ser competitiva, incompetitiva ou mista. Michaelis e Mentem postularam que a enzima
(E) se combina reversivelmente com o substrato (S) ou o analito de interesse, em um processo
rápido e reversível, formando o complexo enzima-substrato (ES), e em seguida esse complexo
transforma-se no produto (P) da reação, que para o nosso caso são os íons H+ e libera a
enzima, através da equação 2.4:49
http://pt.wikipedia.org/wiki/Neur%C3%B4nio
39
1
1
2
kk
k
E S ES E P
(2. 4)
onde a constante da velocidade para a formação e para a dissociação do complexo ES é
definida como k1 e k2, respectivamente.50
Os inibidores competitivos concorrem com o
substrato pelo sítio ativo da enzima, cuja atuação pode ser revertida pelo aumento nas
quantidades de substratos. Neste caso o inibidor (I) é estruturalmente semelhante ao substrato,
e uma vez que se liga a enzima, esta não o transforma em produto, mas forma-se um
complexo inativo (EI), conforme a equação 2.5:40,49
ik
E I EI (2. 5)
onde ki é a constante de equilíbrio para a ligação do inibidor com a enzima. Os inibidores
incompetitivos se ligam a um sítio diferente do sítio ativo do substrato, porém se ligam ao
complexo ES. Os inibidores mistos também se ligam a um sítio diferente do sítio ativo do
substrato, todavia pode se ligar tanto na enzima como no ES. No processo de inibição
irreversível, o inibidor se combina com um grupo funcional na molécula da enzima,
destruindo-o ou formando com ele uma ligação covalente bastante estável, como representa a
equação 2.6. Esses tipos de inibidores são bastante úteis em estudos de mecanismo de
reação.40,49-50
E I EI (2. 6)
Usando a representação dos elementos que compõem um biossensor, a Figura
2.10 ilustra que em uma amostra que contenha o analito (ACh) e um pesticida (inibidor),
ambos competem pelo biocatalizador (AChE), o pesticida liga-se ao sítio ativo da enzima de
maneira irreversível, geralmente por ligações covalentes, podendo combinar ou destruir um
grupo funcional da enzima, e desta forma impedindo ou diminuindo o sinal eletroquímico
gerado pelo biocatalizador. Assim, a concentração de determinado pesticida é medida
indiretamente pela porcentagem de inibição enzimática.42, 47
40
Figura 2.10 – Detecção de pesticida.
41
3 FILMES AUTOMONTADOS CAMADA POR CAMADA
(LbL)
Neste capítulo, será apresentado o método de fabricação de filmes
nanoestruturados pela técnica de automontagem, do inglês Layer-by-layer (LbL), que está
entre as principais técnicas desenvolvidas e apropriadas para produzirem filmes ultrafinos
para serem aplicados como sensores e biossensores. A técnica é descrita em detalhes,
incluindo o uso de PAH/SiO2, expondo seus aspectos teóricos e experimentais, desde o seu
surgimento até os avanços atuais.
3.1 Filmes LbL Contendo Materiais Nanoestruturados
Com o surgimento da nanotecnologia que compreende materiais entre 0,1 e 100
nm, começaram a surgir novos materiais, como, por exemplo, as nanopartículas, os nanotubos
de carbono e as nanofibras, os quais podem ser modificados em nível molecular. O
desenvolvimento desses materiais com propriedades específicas e controláveis têm sido o alvo
de estudo de numerosos pesquisadores e muitos deles fazem referência a materiais obtidos na
forma de partículas nanométricas (nanopartículas) ou de camadas de espessuras nanométricas
(filmes ultrafinos).51,52,53
Entre as técnicas eficazes empregadas na fabricação de filmes finos
nanoestruturados de materiais orgânicos, destaca-se a LbL, por caracterizar e permitir a
produção de filmes em diferentes substratos, com o controle da arquitetura em nível
molecular, de maneira simples e com baixo custo.54
A técnica de automontagem teve como ponto de partida, o trabalho precursor
descrito por Iler,55
onde diversos filmes foram desenvolvidos pela deposição de camadas
alternadas de partículas coloidais eletricamente carregadas com cargas opostas. Após
aproximadamente 20 anos, Sagiv e colaboradores,56,7
propuseram a viabilidade do processo de
montagem dos primeiros filmes em multicamadas através de ligação química. Contudo, esse
método foi considerado limitado devido à necessidade de síntese de moléculas com grupos
funcionais específicos na constituição das camadas. Para ultrapassar esses limites, Decher e
colaboradores retomaram a abordagem proposta por Iler, reformulando-a. Um método
adaptado de obtenção de filmes nanoestruturados por automontagem foi proposto, cuja
42
fabricação seria em grande parte independente da natureza, tamanho e a topologia do
substrato. A nova metodologia se baseou em atração eletrostática entre moléculas de cargas
opostas para a formação de multicamadas,54
sendo depois denominada de E-LbL, do inglês
Eletrostatic Layer-by-layer ou simplesmente LbL. O método sugerido consiste em adsorver
materiais através da imersão alternada em soluções de espécies aniônicas e catiônicas sobre
substratos sólidos.54
Esta técnica consiste basicamente na adsorção física, de camadas ultrafinas de
materiais sobre a superfície de um suporte sólido, a partir de suas soluções, o que permite
controlar molecularmente as propriedades dos filmes produzidos. Na automontagem, as
camadas são adsorvidas por atração eletrostática, ligações de hidrogênio e interação
hidrofóbica.57
Para que ocorra a adsorção, a superfície do substrato sólido utilizado no
processo deve ser antecipadamente preparada por um processo denominado hidrofilização
afim de que a superfície fique completamente limpa e adquira uma carga superficial não
neutra com o aumento de cargas superficiais.
A Figura 3.1 esboça o esquema de todo o processo de deposição de filmes via
LbL com um substrato sólido carregado negativamente. A etapa (1) mostra um substrato
superficialmente carregado negativamente, sendo mergulhado em uma solução contendo um
polieletrólito com cargas positivas (policátion), por um determinado período de tempo. Após
esse tempo, uma camada de material é adsorvida, devido à diferença entre as cargas do
substrato (negativa) e as cargas da solução (positiva). Com a adsorção da camada, encerra-se
o processo de atração eletrostática, pois a carga da superfície do substrato passa a ser a mesma
da solução policátion. A partir desse momento, ocorre a repulsão eletrostática e interrompe-se
a adsorção, pois é alterado o sinal da carga na superfície do substrato que passa a ter a mesma
carga que a da solução policátion. Em seguida, na etapa (2), o substrato é mergulhado em uma
solução aquosa (lavagem) com pH igual à da solução policátion, por um determinado tempo,
para retirar o excesso de material e moléculas fracamente adsorvidas e, na sequência ele pode
ser seco com um fluxo suave de ar comprimido (geralmente nitrogênio), e assim completa-se
a formação de uma camada densamente adsorvida. Na etapa (3), mergulha-se o substrato na
solução de poliânion promovendo a adsorção de uma nova camada que irá compensar a carga
da camada subjacente e, portanto, o sinal inicial do substrato é restituído. Em seguida, na
etapa (4), o substrato é lavado e seco, finalizando a formação de uma bicamada. Pela
repetição consecutiva das etapas de (1) a (4), diversas multicamadas de espessura controlada,
podem ser fabricadas sem apresentar qualquer limitação. As deposições de filmes com
43
multicamadas a partir de soluções de policátion e poliânion podem ser alcançadas
manualmente ou mecanicamente.58, 59
Figura 3.1 – Esboço esquemático do processo de produção de filmes nanoestruturados pela técnica LbL,
adaptado.53
Essa técnica apresenta as seguintes vantagens: simplicidade dos materiais e
equipamentos envolvidos (apenas soluções e béqueres), o processo de fabricação pode ser
simplificado. Nessa técnica utilizam-se diferentes tipos de substratos (vidro, plástico, metal e
cerâmica) e em diferentes formatos geométricos que servem de suporte sólido para os filmes.
Apesar da grande variedade de suporte sólidos utilizados, algumas características
estruturais como, a espessura dos filmes pode ser controlada por números de camadas
depositadas, tempo de imersão, temperatura, pH, força iônica, tipo e concentração do
material.57
Essa variedade de suporte e soluções empregadas possibilita o controle da
arquitetura molecular do filme, permitindo a fabricação de filmes com arranjos variados e que
proporcionam diferentes aplicações, tais como: os dispositivos eletrônicos, sensores e
biossensores.54
- - - - - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - -
- - - -
- - - - - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
- - - - - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
- - - -
- - - -
- - - - - - - -
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + +
- - - - - - - -
- - - - - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
Substrato (1) Solução
Policatiônica (2) Solução
de lavagem
Secagem
Secagem
(4) Solução
de lavagem
(3) Solução
Aniônica 1 Bicamada
44
Atualmente, filmes de multicamadas com nanopartículas de SiO2 têm se
destacado porque a introdução dessas nanopartículas contribuem para proporcionar aos filmes
características multifuncionais, fato este verificado no trabalho Yang e colaboradores onde os
autores relatam a preparação e caracterização de filmes automontados camada por camada
utilizando nanopartículas de SiO2.60
3.2 Sensores de Efeito de Campo Baseados em Filmes LbL
Em meio às diversas aplicações muitos pesquisadores têm desenvolvido sistemas
apropriados para detectar e quantificar de forma rápida e reversível substâncias de interesse
através da técnica LbL em filmes nanoestruturados, pois eles servem de base para superfícies
com diversas funções e podem ser empregados no desenvolvimento de sensores químicos e
biológicos. A importância em usar filmes automontados (LbL) na construção de sensores está
na maneira de combinar materiais diferentes, em quantidade reduzida, com elevada
sensibilidade na obtenção da resposta rápida do sensor e no domínio da arquitetura molecular
do filme. Dessa forma, será apresentada uma breve revisão de filmes baseados na técnica de
automontagem que vêm sendo empregados como sensores de efeito de campo e suas
respectivas aplicações.
Devido aos benefícios em obter filmes nanoestruturados, Liu e Cui61
demonstraram a fabricação e caracterização de um sensor de pH baseado em ISFET,
empregando a técnica LbL. Eles produziram filmes em multicamadas de polieletrólito e
nanopartículas para serem usados como componentes fundamentais de um transistor. O filme
PSS e óxido de índio (In2O3) foi automontado com a função de canal, em seguida fizeram o
filme cloreto de poli (dialildimetilamônio) PPDA e nanopartículas de SiO2, que foram
utilizadas como dielétrico de porta. Os resultados mostraram que a técnica LbL introduz uma
nova abordagem com baixo custo para a fabricação de sensores de pH, apresentando alta
sensibilidade e boa reprodutibilidade. Verificou-se também que a corrente de dreno do ISFET
é mais sensível em solução ácida do que básica, utilizando um modelo de sítio de ligação para
explicar o comportamento sensível do pH e a dependência da temperatura. Esse tipo de sensor
com filmes automontados com nanopartículas pode ser empregado em diferentes tipos de
biossensores.61
45
Fernandes et al.,26
descreveram a fabricação de um sensor de pH através da
técnica LbL, usando o dendrímero de geração 3 - poli (propileno imina) (PPID) e a
ftalocianina tetrassulfonada de níquel (NiTsPc). Membranas quimicamente sensíveis e
modificadas foram então desenvolvidas para serem aplicadas como porta estendida em
SEGFETs. Em um segundo momento, esses mesmos filmes foram utilizados como
biossensores de glicose por Vieira et al.,62
o que demonstrou que a técnica LbL tem a
vantagem de se combinar materiais adequados com funcionalização específica para a
imobilização de enzimas.
3.3 Biossensores de Efeito de Campo Baseados em Filmes LbL
Como vimos anteriormente, o método de fabricação de sensores de efeito de
campo baseados em filmes LbL pode ser utilizado para desenvolver biossensores descartáveis
e de alta sensibilidade, visto que, esses dispositivos híbridos são capazes de converter uma
reação biológica/bioquímica em um sinal apropriado.8
A automontagem por LbL é uma técnica que permite a imobilização nas
superfícies de transdutores de vários materiais biológicos, como proteínas, enzimas, bactérias,
vírus, anticorpos, microorganismos dentre outros. Muitos desses materiais são hidrossolúveis,
o que permitem ajustar o valor de pH das soluções, para que as mesmas tornem-se carregadas
e seja minimizada a perda da atividade biológica. Os pioneiros a produzirem trabalhos
baseados na técnica LbL, envolvendo biossensores na imobilização das enzimas glicose
oxidase (GOx) e glicose amilase (GA) foram Lvov et al.,5 que demonstraram que as enzimas
conservavam suas atividades biológicas e que os filmes de multicomponentes de proteína por
meio de adsorção eletrostática camada por camada são importantíssimos como novos
materiais biologicamente ativos.
A técnica de automontagem destaca-se como um instrumento muito versátil na
construção de biossensores de efeito de campo baseados em filmes LbL, nesse sentido Liu et
al.,63
demonstraram o uso de polímeros e nanopartículas baseado em ISFETs, sendo
fabricados e caracterizados para biossensoriamento de acetilcolina. A automontagem desse
filme foi fabricada em substrato de silício e plástico flexível, onde filmes de polianilina
(PANI) foram automontados como material semicondutor do canal e filmes de nanopartículas
de SiO2 serviram como material dielétrico da porta. Os resultados sugerem um caminho para
46
fabricação de ISFETs com baixo custo e com alto desempenho para aplicações em
biossensoriamento.
Outro exemplo de biossensor de efeito de campo com base em filme LbL foi
proposto por Xue e Cui,64
no qual um transistor de filme fino baseado em sensores de
acetilcolina utilizando nanotubos de carbono e nanopartículas de SiO2 foi desenvolvido. O
transistor apresentou automontagem de multicamadas de nanotubos de carbono de parede
única (SWCNTs) como filme semicondutor, nanopartículas de dióxido de silício (SiO2)
depositadas no substrato como material dielétrico e moléculas da enzima acetilcolinesterase
(AChE) imobilizadas na superfície como filme, induzindo a reação de hidrólise da acetilcolina
(ACh) e liberando íons de hidrogênio na solução. O biossensor demonstrou alta sensibilidade
para detecção de ACh e a complexidade e o custo de fabricação foram bastante reduzidos,
devido às etapas de produção serem desenvolvidas em soluções na temperatura ambiente.
Siqueira e colaboradores,65
produziram filmes nanoestruturados contendo
nanotubos de carbono para serem aplicados como sensores bio-químicos de efeito de campo
(amperométricos e potenciométricos). Eles utilizaram a técnica LbL para obterem dois tipos
de sensores: o primeiro, foi baseado em nanotubos de carbono de paredes múltiplas
(MWNTs) dispersos em um eletrólito, o dendrímero poli (amidoamina) (PAMAM)
combinado com NiTsPc para serem utilizados como eletrodos modificados na detecção
amperométrica do neurotransmissor dopamina (DA). O segundo sensor foi obtido
automontando camadas de PAMAM e nanotubos de carbono de parede única em óxido de
tântalo (Ta2O5). Esse sistema foi empregado em sensores potenciométricos de efeito de campo
utilizando uma estrutura EIS.
Portanto, a técnica de automontagem LbL é um instrumento versátil na obtenção
de biossensores, pois possibilitam combinar diferentes materiais que atuam de forma
específica sobre os elementos de interesse em uma análise, agindo como biorreceptores. A
motivação em usar um elemento biológico é que ele possui a capacidade de ser específico e
sensível sobre o analito, o que evita a influência de diversas substâncias na detecção.
47
3.4 PAH/SiO2 em Filmes LbL
O polímero PAH ou poli(alilamina) hidroclorada possui uma cadeia polimérica
com altos grupos funcionais periféricos e ramificações originárias dos grupos NH3+, sua
fórmula estrutural é ilustrada na Figura 3.2. Como essa estrutura, o PAH parece ser um
sistema ideal para a imobilização covalente de enzimas, materiais essenciais na confecção de
biossensores.
Figura 3.2 – Fórmula estrutural do polímero PAH.
Nessa dissertação, filmes multicamadas de PAH/SiO2 foram construídos para
aplicação em sensores e biossensores. Contudo, a aplicação desse sistema não se restringe
somente a isso. Uma outra aplicação do sistema PAH/SiO2 é no campo de revestimento
antibacteriano, principalmente no controle de crescimento de microorganismos em
equipamentos, instrumentos de laboratórios, entre outros. Com essa motivação, um novo
revestimento de superfície anti-bacteriana composto por filmes nanoestruturados de
PAH/SiO2 foi proposto por Urrutia et al.,66
onde a técnica camada por camada (LbL) foi
utilizada, por ser um método simples que permite um controle na construção de filmes
multicamadas. Em outro trabalho, Zhao et al.,67
fizeram a automontagem eletrostática de PAH
como policátions e nanopartículas de SiO2 como poliânion sobre fibras de algodão, para
tornar esses tecidos superhidrofóbicos.
Portanto, a técnica de deposição LbL para produção de filmes descrito por
Decher,54
que se baseia no desenvolvimento de múltiplas camadas através espécies catiônicas
e aniônicas, oferece a possibilidade de utilizar como espécie aniônica nanopartículas de SiO2
e o PAH como polieletrólito catiônico.
48
49
4 PESTICIDAS, ACETILCOLINESTERASE E ACETIL-
COLINA
Neste capítulo é feita uma breve descrição do uso de pesticidas da classe dos
organofosforados e carbamatos bastante usados na agricultura do estado de Mato Grosso,
destacando o inseticida mais utilizado no estado, o metamidofós. Também é descrita a atuação
da enzima acetilcolinesterase que sofre inibição na presença desses pesticidas e do
neurotransmissor acetilcolina que é degradado por essa enzima.
4.1 Pesticidas Organofosforados e Carbamatos
O primeiro modelo para um inseticida organofosforado ativo foi proposto pelo
químico alemão Gerhard Schrader (1951-1963), durante a Segunda Guerra Mundial.68
Os
pesticidas organofosforados (OF) são compostos orgânicos derivados do ácido fosfórico e
outros ácidos que possuem propriedades químicas semelhantes, porém, suas propriedades
físicas mostram uma diferença regular (homólogos). Por outro lado, os pesticidas carbamatos
(CARB) são compostos derivados de ésteres do ácido carbâmico (monoamida do ácido
carbâmico).68
O uso desses pesticidas é bastante abundante no combate e na prevenção de
pragas na agricultura, porém, a consequência desse uso pode ser as intoxicações de
mamíferos, de aves e também de humanos. Eles são altamente tóxicos, seus efeitos são
nocivos ao sistema nervoso central de diversos animais e seres humanos, pois agem inibindo a
ação da enzima acetilcolinesterase (AChE). A intoxicação se dá quando absorvidos pelo
organismo por via oral, respiratória, cutânea (dérmica) e mucosas. A Figura 4.1 ilustra as
estruturas gerais dos pesticidas organofosforados e carbamatos.
50
Figura 4.1 – Estrutura química geral dos pesticidas: (a) organofosforado e (b) carbamato.
Como esses pesticidas são amplamente empregados na agricultura, há um
crescente interesse na detecção rápida e confiável dessas substâncias para garantir a proteção
do meio ambiente e a segurança da humanidade. Com isso, vários biossensores têm sido
pesquisados e produzidos com o propósito de detecção e determinação desses pesticidas,
utilizando as enzimas colinesterases.40, 69, 70, 71
Segundo o Instituto de Defesa Agropecuária do Estado de Mato Grosso (INDEA-
MT),72
o metamidofós pertencente ao grupo químico dos organofosforados é o inseticida mais
utilizado no estado de Mato Grosso, sendo que a média anual de uso desse inseticida, que é
extremamente tóxico (classe 1),73
ultrapassa em seis milhões de litros, como ilustrado na
Tabela 1.
(a) ORGANOFOSFORADO (b) CARBAMATO
51
Tabela 1 - Média anual de uso de agrotóxicos em litros, com maior utilização entre 2005 a
2010 por tipo de uso e classe toxicológica no estado de Mato Grosso.
INGREDIENTES ATIVOS Uso Classe Toxicológica Média Anual
GLIFOSATO Herbicida IV - Pouco Tóxico 19.844.641
METAMIDOFÓS Inseticida I - Extremamente Tóxico 6.023.458
ENDOSSULFAM Inseticida I - Extremamente Tóxico 5.058.453
2,4 D Herbicida I - Extremamente Tóxico 4.363.291
ÓLEO MINERAL Inseticida IV - Pouco Tóxico 4.025.795
TEBUCONAZOL Fungicida IV - Pouco Tóxico 4.024.942
ATRAZINA Herbicida III - Medianamente Tóxico 3.019.684
METOMIL Inseticida I - Extremamente Tóxico 2.734.160
PARATIONA METÍLICA Inseticida III - Medianamente Tóxico 1.668.894
CARBENDAZIM Fungicida III - Medianamente Tóxico 1.497.100
LACTOFEM Herbicida III - Medianamente Tóxico 1.428.468
CARBOSULFAN Inseticida II - Altamente Tóxico 1.221.763
IMAZETAPIR Herbicida III - Medianamente Tóxico 1.134.964
PYRACLOSTROBIN Fungicida II - Altamente Tóxico 1.064.344
CLOMAZONA Herbicida III - Medianamente Tóxico 1.041.577
HALOXIFOPE P METÍLICO Herbicida III - Medianamente Tóxico 1.001.906
CLORPIRIFÓS (CHLORPYRIFOS) Inseticida II - Altamente Tóxico 994.269
DIQUAT Herbicida III - Medianamente Tóxico 879.092
FENAXAPROP-P-ETHYL Herbicida II - Altamente Tóxico 805.041
FLUTRIAFOL Fungicida III - Medianamente Tóxico 799.580
AZOXISTROBINA Fungicida III - Medianamente Tóxico 783.747
DIURON Herbicida III - Medianamente Tóxico 701.609
PARAQUATE Herbicida I - Extremamente Tóxico 678.634
FOMESAFEN Herbicida III - Medianamente Tóxico 601.509
ACEFATO Inseticida III - Medianamente Tóxico 545.824
TRIFLURALINA Herbicida III - Medianamente Tóxico 512.108
PERMETRINA Inseticida III - Medianamente Tóxico 498.074
TRIFLOXISTROBIN Fungicida II - Altamente Tóxico 468.973
TRIFENIL HIDROXIDO DE ESTANHO Fungicida I - Extremamente Tóxico 437.229
MONOCROTOFOS* Inseticida I - Extremamente Tóxico 425.876
S-METACLORO Herbicida III - Medianamente Tóxico 414.116
PROFENOFOS Inseticida II - Altamente Tóxico 399.386
CIPERMETRINA Inseticida II - Altamente Tóxico 371.183
FLUAZIFOP-P-BUTILICO Herbicida III - Medianamente Tóxico 329.643
ETEFOM Reg Cresc I - Extremamente Tóxico 327.258
MSMA Herbicida III - Medianamente Tóxico 318.582
CYCLOSULFAMURON Herbicida III - Medianamente Tóxico 309.100
TETRACONAZOL Fungicida II - Altamente Tóxico 274.656
IMIDACLOPRIDO Inseticida III - Medianamente Tóxico 272.181
ÓLEO VEGETAL Inseticida IV - Pouco Tóxico 267.309
CARBOXIN + THIRAM Fungicida III - Medianamente Tóxico 256.596
ETER POLIG. DE NONIFENO (NONIFENOL) Adjuvante IV - Pouco Tóxico 256.036
ZETA-CIPERMETRINA Inseticida II - Altamente Tóxico 255.526
TIOFANATO-METÍLICO Fungicida IV - Pouco Tóxico 254.649
THIODICARB Inseticida II - Altamente Tóxico 229.776
LUFENURON Inseticida III - Medianamente Tóxico 222.768
MALATIONA Inseticida III - Medianamente Tóxico 221.111
DIAFENTIUROM Inseticida III - Medianamente Tóxico 218.398
CARBOFURANO Inseticida I - Extremamente Tóxico 215.612
SETHOXYDIM Herbicida III - Medianamente Tóxico 192.472
THIAMETHOXAM Inseticida III - Medianamente Tóxico 172.777
OUTROS AGROTÓXICOS 4.166.275
TOTAL 78.230.412
Fonte: INDEA-MT 2011, banco eletrônico. Organizado pelo Dr. Pignati, W. ; UFMT/ISC, março 2011.
52
A Figura 4.2 ilustra a fórmula estrutural do metamidofós ou O,S-
dimetilfosforamidotioato, comercialmente conhecido como Monitor, Tam, Nitofol, Swipe,
Nuratron ou Vetaron. Este é utilizado para o controle de insetos e outros animais em culturas
como algodão, feijão, tomate (rasteiro) apenas para fins industriais, milho, brócolis, couve-
flor, morango, pêssego, soja, entre outros.73
Nas sucessivas avaliações a Agência Nacional de
Vigilância Sanitária (ANVISA), verificou-se que o metamidofós é encontrado na análise de
resíduos de diversos alimentos para os quais ele não é permitido (tomate de mesa, morango e
alface), pois esses alimentos são geralmente consumidos crus.74
Figura 4.2 – Fórmula estrutural do metamidofós.
Segundo a ANVISA, tal pesticida ataca o sistema nervoso central, através da
inibição da AChE, causando danos irreversíveis ao homem. Por esse motivo, resolveu-se
publicar a reavaliação toxicológica do ingrediente ativo metamidofós, através de uma nota
técnica de 110 páginas elaborada pelos especialistas da Fundação Oswaldo Cruz –
FIOCRUZ,74
chegando à seguinte conclusão: “pelo conjunto de efeitos nocivos do
metamidofós à saúde humana, esse inseticida deve ser proibido na atividade agrícola e em
outras que possibilite a exposição humana.” O Metamidofós pode provocar cefaléia, tontura,
distúrbios do sono, dificuldade de concentração, confusão mental, comprometimento da
memória, ansiedade, agitação, sonolência, convulsões, tremores e até coma. Além dos danos
citados, as manifestações clínicas da intoxicação aguda por metamidofós podem ser
respiratórias, cardiovasculares, oculares, podendo até mesmo causar paralisia muscular dos
músculos respiratórios seguida de morte.
Embasada nesta nota técnica, foi adotada pela Diretoria Colegiada da Agência
Nacional de Vigilância Sanitária a sua proibição, publicada no Diário Oficial da União em
janeiro de 2011.75
Essa proibição ainda esta em julgamento pela Justiça Brasileira, pois um
53
dos fabricantes contesta tal decisão. Neste sentido, espera-se com o presente trabalho,
determinar níveis desse pesticida, in loco, com resultado imediato, de man
