Desenvolvimento de um compósito polimérico de Poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT) e materiais a base de carbono para fabricação de substratos flexíveis e biodegradáveis para aplicação eletroquímica

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidos sensores eletroquímicos fabricados a partir de materiais de carbono e polímero flexível. O material polimérico utilizado foi o poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT) como substrato que é um copoliéster biodegradável e biocompatível e possui excelentes estabilidade térmica e propriedades mecânicas. Primeiramente, o estudo foi realizado a partir da fabricação de um eletrodo a base de PBAT e grafite, o qual mostrou flexibilidade de 180° com resposta eletroquímica estável por 20 vezes, totalizando 200 ciclos de flexão. Sob condições otimizadas, o sensor g-PBAT flexível mostrou excelente atividade eletroquímica para detecção de hidroquinona (HQ) pelo método DPV (do inglês Differential Pulse Voltammetry), exibindo um comportamento linear na faixa de concentração de 0,1 a 1,4 mM, com um LD (limite de detecção) de 1,01 µM e LQ (limite de quantificação) 3,4 µM. Posteriormente, esse eletrodo foi submetido a modificação da superfície utilizado a técnica Layer by Layer (LbL) com nanopartículas de ouro e ftalocianina de cobre (g-PBAT/AuNPs). Neste sistema foi realizada a determinação simultânea de catecol (CC) e paraquat (PQ) por DPV, onde apresentou sensibilidade e limite de detecção iguais a 0,151 µ (mA cm-2) (M)-1 e 1,36 µM para o CC e 0,148 µ (mA cm-2) (M)-1 e 1,31 µM para o PQ, respectivamente. O eletrodo g-PBAT/AuNPs exibiu boa precisão, seletividade e estabilidade. Em um segundo momento foi utilizado materiais de carbono em escala nano, os carbon nitrite dots (CNDs), juntamente com o PBAT para fabricação de sensores eletroquímicos. O sensor foi utilizado para detectar simultaneamente cádmio (Cd2+) e cobre (Cu2+) na presença de luz UVB na faixa de concentrações de 0,1 a 1,0 mM e apresentaram uma correlação linear de R2 = 0,988 e sensibilidade de (3,79 ± 0,21) x 10-5 (mA cm-2) (M)-1 para o cádmio e R2 = 0,975 e sensibilidade de (2,06 ± 0,14) x 10-5 (mA cm-2) (M)-1 para o cobre. Os valores LD e LQ obtidos para o cádmio foram 2,75 x 10-6 M e 9,16 x 10-6 M, e para o cobre foram 7,09 x 10-6 M e 2,36 x 10-5 M, respectivamente. Estes valores indicaram o sucesso do sensor PBAT/CNDs com estímulo da luz UVB para detectar os metais simultaneamente em baixas concentrações. No geral, o objetivo de produzir materiais compósitos a partir da mistura de um material polimérico e materiais de carbono para fabricação de sensores eletroquímicos flexíveis foi alcançado com sucesso.

In this work, electrochemical sensors fabricated from carbon and flexible polymeric materials were developed. Poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) was used as substrate since this polymer is a biodegradable and biocompatible copolyester with good thermal stability and mechanical properties. Firstly, fabrication of a PBAT and graphite-based electrode was carried out, which showed adequate flexibility with stable electrochemical response of 180° for 20 times totaling 200 bending cycles. Under optimized conditions, the flexible g-PBAT sensor showed excellent electrochemical activity for the detection of hydroquinone (HQ) by the DPV (Differential Pulse Voltammetry) method, exhibiting a linear behavior in the concentration range from 0.1 to 1.4 mM, with an LD (limit of detection) of 1.01 µM and LQ (limit of quantification) of 3.4 µM. Subsequently, this electrode was subjected to surface modification using the LbL (Layer by Layer) technique with gold nanoparticles and copper phthalocyanine (g-PBAT/AuNPs). The simultaneous determination of catechol (CC) and paraquat (PQ) by DPV measurements, showed sensitivity and limit of detection equal to 0.151 µ (mA cm-2) (M)-1 and 1.36 µM for CC and 0.148 µ (mA cm-2) (M)-1 and 1.31 µM for PQ, respectively. The g-PBAT/AuNPs electrode exhibited good accuracy, selectivity and stability. In second step, nanoscale carbon materials, carbon nitrite dots (CNDs), were used in conjunction with PBAT to fabricate electrochemical sensors. The sensor was used to simultaneously detect cadmium (Cd2+) and copper (Cu2+) in the presence of UVB light in the concentration range of 0.1 to 1.0 mM. It showed a linear correlation of R2 = 0.988 and sensitivity of (3.79 ± 0.21) x 10-5 (mA cm-2) (M)-1 for cadmium and R2 = 0.975 and sensitivity of (2.06 ± 0.14) x 10-5 (mA cm-2) (M)-1 for copper. The LD and LQ values obtained for cadmium were 2.75 x 10-6 M and 9.16 x 10-6 M, and for copper were 7.09 x 10-6 M and 2.36 x 10-5 M, respectively. These values indicated the success of the UVB-stimulated PBAT/CNDs sensor to detect the pollutants metals simultaneously at low concentrations. Overall, the objective of producing composite materials from the blend of a polymeric material and carbon materials for fabricating flexible electrochemical sensors was successfully achieved.