Desenvolvimento de sensores eletroquímicos à base de biochar de bambu para detecção de espécies de interesse ambiental e biológico

Abstract

Neste trabalho investigou-se o uso do biochar derivado de bambu como base para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos para detecção de espécies de interesse ambiental e biológico. A tese está dividida em seis capítulos que abordam diferentes aspectos dessa pesquisa. No Capítulo 1, apresentamos uma revisão da literatura e a motivação para nosso trabalho. O Capítulo 2 descreve em detalhes o processo de funcionalização ácida do biochar (BC) usando uma solução sulfonítrica (HNO3/H2SO4), resultando no BC funcionalizado (BCF). Os resultados revelaram a adição significativa de grupos funcionais e mudanças estruturais no BCF, enquanto o sensor GC/BCF demonstrou uma melhoria notável na resposta voltamétrica para analitos como o Escitalopram (EST) e o Ferricianeto/Ferrocianeto de Potássio ([Fe(CN)6]3−/4−).No Capítulo 3, desenvolvemos um biossensor enzimático, o GC/BCF/AChE, para a detecção indireta do pesticida Carbaril (CBR). O biossensor apresentou uma resposta linear para o CBR na faixa de 5,0 a 30,0 nmol L-1, com um baixo limite de detecção (LOD) de 4,5 nmol L-1. Além disso, conseguimos quantificar o CBR em amostras reais de maçã, obtendo recuperações entre 102,5% e 118,6% usando o método de adição de padrão. O Capítulo 4 envolveu a síntese, caracterização e aplicação de nanocompósitos de BC modificados com nanopartículas de Cobre (CuNPs) e Antimônio (SbNPs). Os sensores GC/BC-CuNPs foram aplicados na detecção de Dopamina (DOP) (0,05 – 5 µmol L-1, com LOD de 0,04 µmol L-1) e o Escitalopram (EST) (0,2 – 5 µmol L-1, com LOD de 0,15 µmol L-1). O sensor também foi aplicado na determinação de DOP em amostras de urina sintética e EST em amostras de água. Já o sensor GC/BC-SbNPs foi aplicado na determinação de Metilparabeno (MePa), (0,2 a 9,0 µmol L-1, com um LOD de 0,05 µmol L-1). O sensor também foi aplicado na determinação de MePa em amostras produtos de higiene pessoal, e o método desenvolvido foi comparado com espectroscopia UV-Vis. No Capítulo 5, desenvolveu-se Dispositivos Eletroanalíticos em Papel (ePADs) usando um estêncil Ácido Polilático (PLA) impresso em 3D e uma tinta condutiva de grafite/verniz vitral. O sensor ePAD modificado com BCF demonstrou eficácia na detecção de Paracetamol (PARA), na faixa linear de detecção entre 5 e 60 µmol L-1, com um LOD de 3,5 µmol L-1. O sensor também se demonstrou a aplicabilidade prática desse sensor na detecção PARA em amostras de comprimido revestido e capsula de analgésico comerciais. Finalmente, o Capítulo 6 apresenta uma conclusão para o uso promissor do biochar em sensores eletroanalíticos e discute perspectivas futuras. Este trabalho contribui para o avanço na área de sensoriamento eletroquímico, oferecendo métodos simples e de baixo custo para aplicações ambientais e biomédicas.

In this work, the use of bamboo-derived biochar as a foundation for the development of electrochemical sensors for the detection of environmentally and biologically relevant species was investigated. The thesis is divided into six chapters, each addressing various aspects of this research. Chapter 1 provides a literature review and the motivation behind this work. In Chapter 2, we investigated the acid functionalization process of biochar (BC) using a sulfonitric solution (HNO3/H2SO4), resulting in functionalized biochar (BCF). The results revealed a significant addition of functional groups and structural changes in BCF. Moreover, the GC/BCF sensor exhibited a remarkable improvement in the voltammetric response for analytes such as Escitalopram (EST) and Potassium Ferricyanide/Ferrocyanide ([Fe(CN)6] ). Chapter 3 focuses on the development of an enzymatic biosensor, GC/BCF/AChE, for the indirect detection of the pesticide Carbaril (CBR). The biosensor exhibited a linear response to CBR in the range of 5.0 to 30.0 nmol L-1, with a low limit of detection (LOD) of 4.5 nmol L-1. Furthermore, we successfully quantified CBR in real apple samples, achieving recoveries between 102.5% and 118.6% using the standard addition method. Chapter 4 involves the synthesis, characterization, and application of BC nanocomposites modified with Copper (CuNPs) and Antimony (SbNPs) nanoparticles. The GC/BC-CuNPs sensor was applied to the detection of Dopamine (DOP) (0.05 5 µmol L-1, LOD: 0.04 µmol L-1) and Escitalopram (EST) (0.2 5 µmol L-1, LOD: 0.15 µmol L-1). The sensor was also employed for the determination of DOP in synthetic urine samples and EST in water samples. The GC/BC-SbNPs sensor was applied to the determination of Methylparaben (MePa) (0.2 to 9.0 µmol L-1, LOD: 0.05 µmol L-1) in personal care products, and the developed method was compared with UV-Vis spectroscopy. Chapter 5 discusses the development of Paper-Based Electroanalytical Devices (ePADs) using a 3D-printed Polylactic Acid (PLA) stencil and a custom-made graphite/glassy varnish conductive ink. The BCF-modified ePAD demonstrated efficiency in Paracetamol (PARA) detection, with a linear detection range of 5 to 60 µmol L-1 and an LOD of 3.5 µmol L-1. Additionally, the sensor exhibited practical applicability in detecting PARA in commercial coated tablet and capsule samples. Finally, Chapter 6 provides a conclusion regarding the promising use of biochar in electroanalytical sensors and discusses future prospects. This work contributes to advancing the field of electrochemical sensing by offering simple and cost-effective methods for environmental and biomedical applications.