UTILIZAÇÃO DO ELETRODO SÓLIDO DE AMÁLGAMA NA OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL E VOLTAMETRIA PARA O DESENVOLVIMENTO DE MÉTODO DE ANALÍSE DO PESTICIDA TIRAM

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1 UTILIZAÇÃO DO ELETRODO SÓLIDO DE AMÁLGAMA NA OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL E VOLTAMETRIA PARA O DESENVOLVIMENTO DE MÉTODO DE ANALÍSE DO PESTICIDA TIRAM 1 Vanessa Cristina Pereira Maia, 2 Lucas Moreira Silva, 3 Djenaine De Souza 1 Aluno de iniciação Científica PIVIC/AF/UFU, discente do curso de Engenharia de Alimentos 2 Aluno de iniciação Científica CNPQ/UFU, discente do curso de Biotecnologia 3 Professor do Instituto de Química da UFU/ Campos de Patos de Minas. 1,2,3 Av. Getúlio Vargas, 23, Campus Patos de Minas, Patos de Minas MG, CEP djenaine@iqufu.ufu.br RESUMO O objetivo principal deste trabalho foi a construção de eletrodos sólidos de amálgama de prata e seu uso na avaliação de parâmetros experimentais e voltamétricos para o desenvolvimento de um método rápido, sensível e seletivo para a identificação e quantificação do pesticida Tiram, utilizando-se a técnica de voltametria de onda quadrada (SWV). Após as otimizações dos parâmetros experimentais (solvente orgânico, eletrólito de suporte e surfactante) os melhores resultados em termos de intensidade de sinal e perfil voltamétrico, foram obtidos em: tampão Britton Robinson (BR -,4 mol/l, com ph 7 ajustado com NaOH) como eletrólito suporte, como solvente a acetonitrila e uso de surfactante brometo de cetiltrimetil-amônio (CTAB,1x1-4 mol/l), um surfactante catiônico. Os parâmetros voltamétricos otimizados foram: etapa de pré-concentração em potencial com valor antes do pico de redução, em -,5 V, por 15 s. Os parâmetros da SWV otimizados foram: amplitude de pulsos de potencial de 5 mv, incremento de varredura de potenciais de 2 mv e frequência de aplicação de pulsos de potenciais de 9 s -1. Palavras chave: Tiram, ditiocarbamatos, eletrodo sólido de amálgama de prata, voltametria de onda quadrada. INTRODUÇÃO A eletroquímica moderna tem sido uma ferramenta poderosa para estudos em processos de óxido-redução em diferentes áreas e na criação de novos campos de atuação para pesquisadores. Dentre os vários métodos eletroquímicos disponíveis, os métodos voltamétricos são os mais versáteis e efetivos nos estudos de sistema redox e de determinação analítica (Skoog et al., 29). Os métodos voltamétricos abrangem um grupo de métodos eletroanalíticos, onde as informações sobre o analito são obtidas através de medidas de corrente em reações de oxirredução que ocorrem numa interface entre eletrodos de trabalho e solução contendo o analito de interesse. Estes métodos permitem a determinação de várias espécies eletroativas (que apresentam reações de oxidação e ou oxidação) orgânicas e inorgânicas (De Souza et al., 211 & Galli et al., 26). Dentre os eletrodos de trabalho mais empregados destaca-se o eletrodo de gota pendente de mercúrio (HMDE), desenvolvido em 1925 por Heyrovsky. Entretanto, o mercúrio gera resíduos do metal, que é tóxico e apresenta instabilidade mecânica quando comparado com eletrodos sólidos de amálgamas metálicas. Eletrodos sólidos de amálgama (SAE) são definidos como eletrodos compostos por uma liga contendo mercúrio e um ou mais metais. Eles possuem sua superfície completamente sólida com propriedades semelhantes ao HMDE. Os SAE possuem vantagens como estabilidade mecânica, excelente sensibilidade analítica, alta reprodutibilidade, longa durabilidade, não geram resíduos tóxicos, são de fácil construção, apresenta superfície estável, além de permitir um prétratamento para ativação da superfície que é quimicamente estável nas soluções de eletrólito suporte. Uma das mais importantes aplicações dos SAE é na determinação de pesticidas de diferentes classes químicas. Dentre os metais que podem ser empregados na construção de SAE a prata apresenta vantagens, tais como predominância de estrutura cristalina, estabilidade a reações com oxigênio ou formação de outros intermetálicos. Além disto, os SAE construídos com a mistura de mercúrio e prata, chamados de eletrodos sólidos de amálgama de prata (AgSAE) apresentam um largo intervalo de potencial para aplicações em proces-

2 sos de redução de compostos orgânicos e inorgânicos, incluindo pesticidas de diferentes classes químicas. Pesticidas são substâncias ou mistura de substâncias utilizadas na produção, colheita ou no armazenamento de alimentos. São bioativos e capazes de prevenir, destruir ou combater organismos indesejáveis. O Tiram (Dimetilditiocarbamato), Figura 1, é um dos principais pesticidas do grupo dos ditiocarbamatos (ANVISA, 213), e é empregado como fungicida. Figura 1 Estrutura Molecular do Tiram. Os fungicidas deste grupo estão entre os mais usados no Brasil, desde culturas de frutas até leguminosas. A ingestão diária aceitável para o Tiram é de,1 mg/kg p.c. (peso corpóreo). Este fungicida interage fortemente em metais e enzimas, podendo afetar sistemas biológicos. Com isto, torna-se fundamental o desenvolvimento de técnicas aplicáveis à determinação efetiva do mesmo (ANVISA, 213). Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi construir e aplicar AgSAE para a otimização das condições experimentais e voltamétricas para a identificação e quantificação de Tiram e posterior aplicação em amostras de interesse ambiental ou alimentício. Para isto foi empregada a técnica de voltametria de onda quadrada (SWV). A SWV é um método voltamétrico onde a variação de potenciais é realizada na forma de uma escada de potenciais. Este potencial aplicado tem energia suficiente para promover uma reação de transferência de elétrons, gerando um sinal de corrente que é diretamente proporcional à concentração do analito de interesse. EXPERIMENTAL Célula eletroquímica Para a realização dos experimentos utilizou-se uma célula eletroquímica de vidro, constituída de condutores elétricos (eletrodo de trabalho, AgSAE, o eletrodo de referência (Ag/AgCl) sat e um eletrodo auxiliar, fio de platina) e condutor iônico (eletrólito de suporte, tampão BR). Para a construção do eletrodo de trabalho, o AgSAE foram pesados,7 g de mercúrio e,3 g de prata em pó, obedecendo a proporção de 3/7 (Ag/Hg; m/m) e misturados até a formação de uma massa consistente que foi então inserida em um capilar de vidro e compactado. Após a completa amalgamação, um fio metálico foi inserido para o contato elétrico com auxílio de cola de prata e a parte superior foi isolada com resina epóxi, afim de garantir boa estabilidade mecânica (De Souza et al., 211). Preparação das soluções Todas as soluções utilizadas foram preparadas com reagentes de pureza analítica (P. A), utilizando água destilada em um sistema de purificador de água Osmose Reversa OS5 LX. Para a pesagem de reagentes sólidos e do fungicida, utilizou-se a balança analítica de precisão Classe I (Bel Engineering, Mark M214A). Todas as soluções preparadas foram armazenadas na geladeira até seu uso. As soluções estoques do pesticida Tiram foram todas preparadas 24 h antes dos experimentos a fim de o composto sofrer completa hidrólise, já que possui enxofre na sua estrutura e por ser uma molécula instável em soluções aquosas. Foram preparadas soluções de tampão BR,4 mol/l (H 2 PO 4, H 3 CCOOH e H 2 BrO 4 ), Cloreto de Hexamina Rutênio,5 mol/l (H 17 Cl 2 N 6 Ru); Hidróxido de Sódio 1 mol/l (NaOH), Tiram 1x1-3 mol/l (C 6 H 12 N 2 S 4 ), Cloreto de Potássio KCl,2 mol/l, e solução estoque de surfactante CTAB (1x1-3 mol/l). Instrumentação Todas as análises experimentais foram realizadas em um potenciostato/galvanostato microautolab III, Metrohm- Pensalab, acoplado ao um computador através do software NOVA 1.9. Para ajuste do ph utilizou-se um phmetro da marca TECNOPON mpa 21 com um eletrodo combinado de vidro sensível ao ph do meio. Antes de iniciar as análises o eletrodo de trabalho foi polido no intuito de limpar a sua superfície de qualquer tipo de substância, deixando ele com a superfície espelhada. Logo ele foi condicionado juntamente com os eletrodos de referência e eletrodo auxiliar, numa solução de KCl,1 mol/l por um tempo de s com o uso da voltametria cíclica usando um potencial de, a -2,2 V numa velocidade de varredura de 1 mv/s com 2 ciclos. Essa renovação do eletrodo foi realizada novamente quando o intervalo de tempo de experimentos foi superior a 2 h. Feito o condicionamento do eletrodo, tomase o eletrólito inicial e faz-se a medida do branco. Então, são feitas adições sucessivas, de concentração conhecida de Tiram e analisa-se o voltamograma, que é a representação gráfica do

3 I(uA) I(uA) experimento, dado em razão de potencial (eixo x) por corrente (eixo y). Após todos os experimentos os dados são exportados e todo o tratamento matemático é realizado no software Origin. RESULTADOS E DISCUSSÃO Sabendo que o ph do meio pode afetar a resposta voltamétrica da molécula em estudo, foram realizados testes de eletroatividade do Tiram em diferentes valores de ph empregandose solução de tampão BR em diferentes valores de ph, os quais foram ajustados utilizando-se solução de NaOH 1, mol/l. Este tampão foi escolhido para o desenvolvimento do trabalho, pois apresenta uma faixa de ph de 2 a 12, possibilitando a avaliação do processo de redução do pesticida em amplo intervalo de ph. Para isto, utilizou-se a SWV e os seguintes parâmetros: frequência de aplicação de pulsos de potenciais (f) de 1 s -1, amplitude de pulsos de potenciais (a) de 5 mv e incremento de varredura de potencial ( E s ) de 2 mv. Os voltamogramas obtidos estão apresentados na Figura 2, onde, pode-se observar que em valores de ph menores que 4, há presença de dois picos de redução. Com o aumento do ph forma-se um único pico e praticamente não ocorreu variação nos valores de potencial de pico e correntes de pico. Isto é um indicativo de que para valores de ph menores do que 4 ocorre mudança no mecanismo da reação, provavelmente relacionando etapas de protonação. Para valores de ph maiores que 6, há a presença de um pico de redução bem definido, com valor de potencial em aproximadamente -,65 V. Assim, foi definido para as etapas posteriores o ph 7, ph 2, 4, 6, 6,5 7, 7,5 8, 1, -1,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, Figura 2 Voltamogramas de onda quadrada obtidos para 1x1-4 mol/l de Tiram em diferentes valores de ph, com f = 1 s -1, ΔE s = 2 mv, a = 5 mv. Intervalo de varredura de V a -1,2 V. Informações mostradas na literatura demonstram que a molécula de Tiram degrada-se em meio básico, assim foi necessário efetuar um estudo acerca da estabilidade do Tiram em meio básico (solução de NaOH) e em meio orgânico (acetonitrila). Para isto, as soluções estoque de Tiram 1,x1-3 mol/l foram preparadas por dissolução de uma quantidade adequada de Tiram em acetonitrila e outra com NaOH,1 mol/l, após a dissolução as soluções foram armazenadas em frascos adequados e individuais. Ambas as soluções foram armazenadas por 24 h, para observar se a ocorrência da hidrólise aumentaria o sinal analítico, indicando que o sinal medido era do produto da hidrólise. Os resultados obtidos para as respostas do Tiram preparadas nas duas condições, indicou que a solução de NaOH não promoveu melhora no sinal analítico, enquanto que em acetonitrila houve maior sinal analítico como mostrado na figura 3. Assim, a acetonitrila é o solvente utilizado no trabalho Solvente acetonitrila Solvente NaOH -1,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, Figura 3 Voltamogramas de onda quadrada obtidos para 1x1-4 mol/l de Tiram em Tampão BR ph 7 com diferentes solventes, com f = 1 s -1, ΔE s = 2 mv, a = 5 mv. Intervalo de varredura de V a -1,2 V. Após definir o eletrólito de trabalho, Tampão BR ph 7, realizou-se novos testes procurando obter melhores resultados na detecção de Tiram, utilizando o CTAB (brometo de cetil-trimetil-amônio), pois apresenta um grupamento amino o qual possui carga positiva e consequentemente atração por carga negativa (da polarização do eletrodo de trabalho), em concentração de 1x1-4 mol/l na célula eletroquímica juntamente com o eletrólito de suporte. Estes estudos foram realizados com o uso da técnica SWV nas seguintes condições: a = 5 mv, ΔE s = 2 mv, f = 1 s -1 em diferentes potenciais de pré-concentração.

4 I(uA) I (ua) A adsorção dos surfactantes em superfícies metálicas acontece em três formas diferentes: Em baixas concentrações a interação do grupo polar com a superfície do metal, há uma baixa inteiração, formando semi-micelas. Quando a concentração do surfactante se aproxima da c.m.c (concentração micelar crítica), a adsorção do surfactante é completa sobre a superfície do metal, então é formado rapidamente micelas e interações interhidrofóbicas sobre a superfície do mesmo, a cadeia hidrofóbica pode ser orientada na superfície do metal ou em direção ao meio aquoso. Abaixo da c.m.c é a região de maior eficiência, formando uma camada protetora na superfície do metal (ROBERTO, 21). Neste sentido, sua aplicação foi importante para se obter melhora na seletividade e reprodutibilidade do sinal analítico. Embora o sinal analítico tenha sido consideravelmente reduzido, comparado com a ausência do CTAB, ele proporcionou uma melhor reprodutibilidade do sinal. Isto ocorreu por que o CTAB adsorveu-se na superfície do eletrodo, inibindo sua contaminação por produtos da reação redox. Além disto, o uso do CTAB muda consideravelmente o perfil do voltamograma obtido, sendo que sem o uso do CTAB ocorre a presença de dois picos de redução sobrepostos, e com o uso do CTAB há a presença de apenas um pico de redução. Isto pode ser um indicativo de que um dos picos é relacionado com o produto da reação do primeiro processo redox, e o uso do surfactante impede a adsorção deste produto, o qual é reagente para o segundo processo redox. Na sequência, foi realizada uma comparação entre experimentos utilizando-se etapas de pré-concentração, na qual se aplica um potencial elétrico durante um determinado tempo. Este procedimento promove uma aproximação do analito à superfície do eletrodo. A escolha do potencial de pré-concentração é realizada considerando-se valores de potencial antes do pico de redução, próximo ao pico, e após o pico. Os voltamogramas obtidos são apresentados na Figura 4, que o efeito de pré-concentração no sinal do Tiram sem o uso do surfactante e com o uso do surfactante antes do início do pico de redução permite uma melhor resposta de sinal. Utilizando SWV foi também realizado a análise da repetibilidade do sistema em função do uso do surfactante e sem o uso do surfactante. Os resultados obtidos mostraram que o uso do CTAB melhora consideravelmente a reprodutibilidade e repetibilidade do sinal de redução do Tiram, nas condições previamente avaliadas. Posteriormente, foi avaliado a influência do tempo de aplicação do potencial de préconcentração nos voltamogramas obtidos. Para isto, foram avaliados os tempos de 15 s; 3 s; 45 s; s e 12 s, foi observado que após 15 s, praticamente não ocorre aumento no sinal, indicando que apenas 15 s é suficiente para a pré-concentração e estabilização do sinal analítico. Após a avaliação dos parâmetros experimentais, avaliou-se a influência dos parâmetros da SWV nos picos de redução do Tiram. Estes parâmetros são f, a e E s, todos estes parâmetros exercem pronunciado efeito nos sinal obtidos. 12 branco Sem pré-concentração 15 = -,35 V = -,45 V = -,5 V = -, V = -,7 V = -,75 V = -,85 V = -,9 V (a) -1,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, E (V) branco Sem pré-concentração = -,35 V = -,45 V = -,5 V = -, V = -,7 V = -,75 V = -,9 V (b) -1,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, Figura 4 Voltamogramas de onda quadrada para a redução de 1x1-4 mol/l de Tiram sobre AgSAE, com f = 1 s -1, ΔE s = 2 mv, a = 5 mv. Intervalo de varredura de V a -1,2 V. (a) sem uso do CTAB e (b) com uso do CTAB, com diferentes valores de potencial de préconcentração ( ). O primeiro parâmetro avaliado foi a, que é relacionado à altura do pulso de potencial. Os valores avaliados variaram de 5 a 5 mv, e os voltamogramas obtidos estão apresentados na Figura 5. Observou-se assim, que o aumento de a promoveu um aumento diretamente proporcional

5 I(uA) I (ua) I(uA) I p (ua) no sinal voltamétrico, como pode ser observado na inserção da Figura 5. Assim, para as etapas posteriores, o valor otimizado foi de 5 mv a ( mv) a (mv) ,6-1,2 -,8 -,4, Figura 5 Voltamogramas de onda quadrada para a redução de 1x1-4 mol/l de Tiram sobre AgSAE em meio de CTAB 1x1-4 mol/l, com f = 1 s -1, ΔE s = 2 mv, intervalo de varredura de V a -1,2 V e diferentes valores de a. Inserção representa a relação entre o parâmetro a e as correntes de pico. Outro parâmetro avaliado foi o E s que representa a altura de um degrau de potencial ao outro degrau, e está diretamente relacionado à velocidade de varredura de potenciais, e assim pode influenciar na sensibilidade. Assim, o valor de E s foi variado de 2 a 1 mv, como mostrado na Figura 6. Entretanto, quando se aumenta o valor de E s, o programa de aquisição do sinal diminue consideravelmente, o número de pontos adquiridos, o que promove uma perda na resolução e prejudica o perfil do voltamograma. Assim, devidos as limitações instrumentais, o valor de E s a ser utilizado foi definido como 2 mv E s (mv) ,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, Figura 6 Voltamogramas de onda quadrada para a redução de 1x1-4 mol/l de Tiram sobre AgSAE em meio de CTAB 1x1-4 mol/l, com a = 5 mv, f = 1 s -1, intervalo de varredura de V a -1,2 V e diferentes valores de E s. O último parâmetro voltamétrico avaliado foi a frequência de aplicação dos pulsos de potenciais, o qual é o parâmetro da SWV mais importante, pois além de informar o melhor valor para obtenção de um bom sinal analítico, fornece informações acerca do mecanismo de reação redox. O valor de f foi variado de 1 a 3 s -1, onde observou-se aumento proporcional da intensidade do sinal. A Figura 7 apresenta os voltamogramas obtidos até 8 s-1, o qual apresenta relação linear com a raiz quadrada de f, como mostrado na Figura f (s -1 ) ,2-1, -,8 -,6 -,4 -,2, E (V) Figura 7 Voltamogramas de onda quadrada para a redução de 1x1-4 mol/l de Tiram sobre AgSAE em meio de CTAB 1x1-4 mol/l, com a = 5 mv, E s = 2 mv, intervalo de varredura de V a -1,2 V e diferentes valores de f. De acordo com trabalhos publicados na literatura, (DE SOUZA et. al., 23 & LOVRIC et. al.,27), a avaliação do comportamento da corrente de pico (I p ) em função da variação da freqüência de aplicação dos pulsos de potenciais (1/τ), fornece informações acerca do mecanismo da redução eletroquímica. De acordo com estes trabalhos, para sistemas reversíveis, o aumento da corrente é proporcional à raiz quadrada da frequência a intensidade do sinal é relacionada à velocidade de transferência de massa da espécie eletroativa do seio da solução até a superfície eletródica. Isto comprova que a etapa determinante da reação química não envolve etapas de adsorção de produtos da reação à superfície eletródica. Além disto, com a análise da Figura 8, foi possível determinar o valor de f para aplicações futuras, que foi definido como 1 s -1.

6 I p (ua) I p = -19, ,2859 * f r =, f 1/2 (s -1/2 ) Figura 8 Relações entre as correntes de pico e f, obtidos à partir dos voltamogramas da Figura 7. CONCLUSÃO Os resultados obtidos neste trabalho mostrou que o uso da SWV aliado ao AgSAE permite obter resultados analíticos, com boa reprodutibilidade e com sensibilidade suficiente para a utilização em amostras mais complexas, tais como águas naturais e alimentos. A avaliação preliminar das condições experimentais mostrou que o melhor eletrólito é o tampão BR em ph neutro. Além disto, o uso de surfactante CTAB possibilitou que consecutivas análises podem ser realizadas sem a necessidade de polimento do eletrodo para renovação da superfície eletródica. O uso do CTAB, apesar de promover diminuição no sinal analítico proporcionou uma excelente reprodutibilidade e repetibilidade nas análises químicas. A avaliação dos parâmetros voltamétricos mostrou que o aumento da velocidade de varredura de potenciais, caracterizado pelo aumento de f não proporciona aumento considerável no sinal analítico. A corrente de pico é linear a f apenas em baixos valores de f (f < 8 s -1 ), o que caracteriza um processo de transferência de elétrons lenta. O uso do CTAB também é um dos responsáveis pela diminuição da cinética de transferência de elétrons, mesmo assim, seu uso possibilitou a rápida e fácil obtenção de repetibilidade possibilitando emprego em sistemas complexos, como amostras de águas naturais, contaminadas ou não por Tiram. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANVISA: Agência Nacional de Vigilância Sanitária -Disponível em:< Acesso em: 2 jul DE SOUZA D.; MACHADO S. A. S., 26. Study of the Electrochemical Behavior and Sensitive Detection of Pesticides Using Microelectrodes Allied to Square-Wave Voltammetry. Electroanalysis, v. 18, n. 9, p DE SOUZA, D.; MASCARO, L. H.; FATIBELLO FILHO, O., 211. The effect of composition of solid silver amalgam electrodes on their electrochemical response. Journal of Solid State Electrochemistry. Springer, v. 15, n.9. GALLI A.; DE SOUZA D.; GARBELLINI G.S.; COUTINHO C.F.B.; MAZO L.H.; AVACA L.A.; MACHADO S.A.S., 26. Utilização de técnicas eletroanalíticas na determinação de pesticidas em alimentos. Química Nova, v. 29, n. 1, p. 15. LOVRIC, M., KOMORSKY-LOVRIC, S., 27. Square wave voltammetry. Theory and apllications. Springer, Berlin. SKOOG, D.A.; HOLLER, F. J.; CROUCH, S. R., 29. Princípios de Análise Instrumental. 6. ed. Porto Alegre: Bookmam, cap ROBERTO, C. E., 21. Caracterização e aplicação de sistemas micelares e microemulsionados como inibidores de corrosão. 152 f. Dissertação (Mestrado em Química ) Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal. AGRADECIMENTOS Agradecemos à FAPEMIG (APQ ) e à PROPP-UFU.