Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-09-23T20:14:26Z No. of bitstreams: 2 Dissertação Laura Braga.pdf: 3078196 bytes, checksum: 4e0d981972cc02801917c5b9a35ae977 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-09-23T20:47:31Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação Laura Braga.pdf: 3078196 bytes, checksum: 4e0d981972cc02801917c5b9a35ae977 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-23T20:47:31Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação Laura Braga.pdf: 3078196 bytes, checksum: 4e0d981972cc02801917c5b9a35ae977 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2013-06-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work describes the development ofelectrophoresis microchips integrated with capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D). MSE were produced in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) by soft lithography. For this purpose, high-relief masters were produced on (i) silicon substrates by photolithography, (ii) polyester films by laser printing and (iii) copper plates by wet chemical etching. The devices fabricated by photolithography were used to investigate the effects of the electrode orientation and length, the optimization of the operating and geometric parameters on the analytical performance of the detector. The results have shown that the analytical signal intensity is greater when employing electrodes with width of 2 mm, spaced by a minimal gap (1mm) and arranged in an antiparallel configuration. The optimal frequency found was 400 kHz. Furthermore, it was observed that the signal intensity increases linearly for amplitude values up to 5 Vpp. PDMS devices obtained with toner and copper masters were employed to perform eletrophoretic separations of inorganic cations using the previously optimized conditions. The alternative masters and the resulting PDMS channels were characterized according to their dimensions, surface roughness and replication fidelity. On toner masters, it was verified that the wider the line, the ticker the toner layer. For widths between 50 and 300 μm, the toner thickness ranged from 5 to 10 μm. On the other hand, the line height on copper masters was determined by the etching time. For lines with widths between 50 and 300 μm, the height ranged from 72 to 82 μm, under an etching rate of 7.6 ± 1.7 μm/min. Regarding the roughness, copper masters presented more uniform surfaces in comparison to toner masters. This difference is due to the additional heating step used to transfer the toner mask. The proposed masters have shown good replication fidelity and also excellent capability of producing multiple replicas with a single master. The main drawback found with the fabrication technology is associated with the laser printer resolution. However, the easiness of fabrication and low instrumental costare suitable to be implemented in locations with limited resources or restricted access to conventional microfabrication techniques. / Este trabalho descreve o desenvolvimento de microssistemas eletroforéticos (MSE) integrados com detecção condutométrica sem contato capacitivamente acoplada (C4D). Os MSE foram produzidos em poli(dimetilsiloxano) (PDMS) através da técnica de litografia suave. Para esta finalidade, os moldes para prototipagem dos MSE foram obtidos por (i) gravação fotolitográfica em silício, (ii) impressão direta em filmes de poliéster e (iii) corrosão química em placas de cobre. Os dispositivos fabricados fotolitograficamente foram empregados no estudo da orientação e comprimento dos eletrodos, bem como na otimização dos parâmetros operacionais e geométricos do detector. Os resultados mostraram que a intensidade do sinal analítico é maior quando se emprega eletrodos com largura de 2 mm, separados por um gap mínimo (1 mm) e orientados na configuração antiparalela. Além disso, a avaliação dos parâmetros operacionais demonstrou que a frequência ótima de trabalho foi de 400 kHz, e o sinal varia linearmente com amplitudes até 5 Vpp. Após a obtenção das melhores condições de detecção, os dispositivos de PDMS replicados com os moldes de toner e cobre foram empregados em separações eletroforéticas de cátions inorgânicos. Além disso, os moldes e a estrutura dos microcanais fabricados pelo método alternativo foram caracterizados quanto à largura, altura, rugosidade da superfície e fidelidade de replicação. No molde de toner, verificou-se que quanto maior a largura das linhas impressas mais espessa é a camada de toner. Para larguras compreendidas entre 50 e 300 μm, a espessura variou de 5 a 10 μm. No molde de cobre, a corrosão se procedeu a uma taxa de 7,6 ± 1,7 μm/min, o que permitiu a obtenção de linhas com altura entre 72 e 82 μm. Em relação a rugosidade, o molde de cobre apresentou a superfície mais uniforme que o molde de toner, devido o aquecimento adicional na etapa de transferência da máscara. Ambos os moldes apresentaram boa fidelidade de replicação, podendo ser reusado várias vezes para a prototipagem dos microcanais. A principal desvantagem da técnica é que as dimensões dos canais são limitadas pela resolução da impressora a laser. Entretanto, a facilidade de fabricação e o baixo custo instrumental são vantagens que tornam o processo atrativo e viável para ser implementado em locais com recursos limitados e acesso restrito à instrumentação especializada.

Neste trabalho, foram desenvolvidos métodos para determinação de espécies neutras por eletroforese capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (CCD). Estratégias baseadas em eletroforese capilar em solução livre (FSCE) e cromatografia micelar eletrocinética (MEKC) foram utilizadas em três casos: misturas de álcoois alifáticos, misturas de açúcares e salbutamol. Estas substâncias foram escolhidas por apresentarem ampla distribuição de características químicas. Os n-álcoois possuem regiões polares e apoIares distintas ao longo da cadeia carbônica, sendo que em solução aquosa se apresentam invariavelmente como espécies neutras. Os açúcares, apesar das longas cadeias carbônicas, possuem grande número de hidroxilas uniformemente distribuídas e podem ser ionizados a valores elevados de pH. Já o salbutamol, pode ser encontrado como espécie catiônica, neutra ou aniônica, dependendo do pH do meio. A melhor aproximação para os álcoois foi MEKC, que permitiu a separação e detecção da ordem de 10-4 mol·L-1 para cinco isômeros de pentanol. A utilização de eletrólito de corrida com pH 12,1 permitiu a determinação de frutose, glicose, galactose e sacarose da ordem de 10-5 moI&middotL-1 por FSCE em capilares de 20 µm. Salbutamol pode ser detectado como cátion e ânion em FSCE em limites de detecção da ordem de dez vezes menores que aquele obtido para a espécie neutra por MEKC. Como o mecanismo pelo qual ocorre a detecção condutométrica em MEKC não era ainda bem conhecido, foram desenvolvidos experimentos que ajudassem a elucidá-Io. Medidas de condutividade, viscosidade e análise de impedância de soluções tampão com dodecilsulfato de sódio (SDS) com n-álcoois e experimentos com soluções similares em MEKC demonstraram que a resposta observada com CCD é bastante complexa, pois vários fenômenos contribuem para o comportamento da condutividade na região dos analitos. Os principais fenômenos, os quais não estavam sendo devidamente considerados em modelos anteriores, são a dissociação e a ionização provocadas pelos analitos sobre as micelas. Estes fenômenos seriam particularmente significativos para as mobilidades das espécies envolvidas nas micelas, provocando a propagação de vacâncias que seriam então detectadas. / In the present work, analytical methods for determination of neutral species based on capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (CCD) were developed. Free solution capillary electrophoresis (FSCE) and micelar electrokinetic chromatography (MEKC) were applied to three cases: mixtures of aliphatic alcohols, mixtures of sugars, and salbutamol. These substances were selected due to their distinctiveness. The alcohols have well-defined polar and apoIar regions in their carbonic chain and are typical non-ionic species in aqueous medium. The sugars have a great number of hydroxyl groups along the carbonic chain, which give a polar nature and can be ionized at high pH values. The salbutamol is amphoteric. The best approach for the alcohols was MEKC that allowed separation of five pentanol isomers with limit of detection of 10-4 mol·L-1. A running electrolyte with pH 12.1 allowed determination of 10-5 mol·L-1 of fructose, glucose, galactose, and sucrose, using FSCE with 20-µm inner diameter capillary. The sensitivity for the cationic and anionic forms of albuterol in FSCE was about ten times greater than that one achieved by MEKC for the neutral species. Since the conductivity detection in MEKC was not clearly understood, some experiments were carried out in order to improve the knowledge about it. Conductivity and viscosity measurement as well as impedance analysis of buffered sodium dodecyl sulfate solution with n-alcohols and experiments using similar conditions in MEKC showed that CCD response is complex, because several phenomena contribute to the solution conductivity in the region of the analytes. The main phenomena, which are not properly considered in the previous models, are the effects of the analytes on the dissociation and ionization of the micelles. These phenomena would be responsible for the vacancies detected as negative peaks, which would be formed by the augment of the mobilities of the species involved in the micelle formation.

Neste trabalho, foram desenvolvidos métodos para determinação de espécies neutras por eletroforese capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (CCD). Estratégias baseadas em eletroforese capilar em solução livre (FSCE) e cromatografia micelar eletrocinética (MEKC) foram utilizadas em três casos: misturas de álcoois alifáticos, misturas de açúcares e salbutamol. Estas substâncias foram escolhidas por apresentarem ampla distribuição de características químicas. Os n-álcoois possuem regiões polares e apoIares distintas ao longo da cadeia carbônica, sendo que em solução aquosa se apresentam invariavelmente como espécies neutras. Os açúcares, apesar das longas cadeias carbônicas, possuem grande número de hidroxilas uniformemente distribuídas e podem ser ionizados a valores elevados de pH. Já o salbutamol, pode ser encontrado como espécie catiônica, neutra ou aniônica, dependendo do pH do meio. A melhor aproximação para os álcoois foi MEKC, que permitiu a separação e detecção da ordem de 10-4 mol·L-1 para cinco isômeros de pentanol. A utilização de eletrólito de corrida com pH 12,1 permitiu a determinação de frutose, glicose, galactose e sacarose da ordem de 10-5 moI&middotL-1 por FSCE em capilares de 20 µm. Salbutamol pode ser detectado como cátion e ânion em FSCE em limites de detecção da ordem de dez vezes menores que aquele obtido para a espécie neutra por MEKC. Como o mecanismo pelo qual ocorre a detecção condutométrica em MEKC não era ainda bem conhecido, foram desenvolvidos experimentos que ajudassem a elucidá-Io. Medidas de condutividade, viscosidade e análise de impedância de soluções tampão com dodecilsulfato de sódio (SDS) com n-álcoois e experimentos com soluções similares em MEKC demonstraram que a resposta observada com CCD é bastante complexa, pois vários fenômenos contribuem para o comportamento da condutividade na região dos analitos. Os principais fenômenos, os quais não estavam sendo devidamente considerados em modelos anteriores, são a dissociação e a ionização provocadas pelos analitos sobre as micelas. Estes fenômenos seriam particularmente significativos para as mobilidades das espécies envolvidas nas micelas, provocando a propagação de vacâncias que seriam então detectadas. / In the present work, analytical methods for determination of neutral species based on capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (CCD) were developed. Free solution capillary electrophoresis (FSCE) and micelar electrokinetic chromatography (MEKC) were applied to three cases: mixtures of aliphatic alcohols, mixtures of sugars, and salbutamol. These substances were selected due to their distinctiveness. The alcohols have well-defined polar and apoIar regions in their carbonic chain and are typical non-ionic species in aqueous medium. The sugars have a great number of hydroxyl groups along the carbonic chain, which give a polar nature and can be ionized at high pH values. The salbutamol is amphoteric. The best approach for the alcohols was MEKC that allowed separation of five pentanol isomers with limit of detection of 10-4 mol·L-1. A running electrolyte with pH 12.1 allowed determination of 10-5 mol·L-1 of fructose, glucose, galactose, and sucrose, using FSCE with 20-µm inner diameter capillary. The sensitivity for the cationic and anionic forms of albuterol in FSCE was about ten times greater than that one achieved by MEKC for the neutral species. Since the conductivity detection in MEKC was not clearly understood, some experiments were carried out in order to improve the knowledge about it. Conductivity and viscosity measurement as well as impedance analysis of buffered sodium dodecyl sulfate solution with n-alcohols and experiments using similar conditions in MEKC showed that CCD response is complex, because several phenomena contribute to the solution conductivity in the region of the analytes. The main phenomena, which are not properly considered in the previous models, are the effects of the analytes on the dissociation and ionization of the micelles. These phenomena would be responsible for the vacancies detected as negative peaks, which would be formed by the augment of the mobilities of the species involved in the micelle formation.

O trabalho descrito nesta tese mostra a aplicação de um sistema de detecção condutométrica sem contato acoplado capacitivamente (C4D) para monitorar interações biomoleculares em microssistemas analíticos. Inicialmente, o desempenho analítico de microssistemas fabricados em vidro, poli(dimetilsiloxano) (PDMS) e poliéster-toner (PT) foi avaliado de modo a escolher o melhor material (em termos de facilidades de fabricação, custo e repetibilidade) para os ensaios biomoleculares. Dentre os materiais estudados, os dispositivos fabricados em PT mostraram-se mais adequados para testes rápidos, onde a repetibilidade analítica não é o parâmetro mais importante. Os dispositivos fabricados em PDMS e selados contra uma placa de vidro apresentaram os melhores resultados em termos de repetibilidade e o desempenho analítico foi similar aos dispositivos de vidro. Dessa maneira, os dispositivos fabricados em PDMS/vidro foram escolhidos para a demonstração dos objetivos da tese. Por outro lado, os dispositivos fabricados em PT foram explorados para estudar a configuração geométrica do sistema de C4D. A instrumentação para monitoramento dos ensaios de ligação foi composta basicamente de dois sistemas de C4D, um software escrito em LabVIEW e um sistema de bombeamento das soluções. De modo a encontrar a configuração ideal da cela de detecção, geometrias contendo três, quatro e cinco eletrodos foram avaliadas em dispositivos de PT. A configuração ótima foi composta de três eletrodos, espaçados simetricamente. Nesta geometria, um eletrodo é utilizado para aplicar o sinal senoidal de excitação e os outros dois são utilizados para capturar o sinal resultante. As dimensões dos eletrodos (largura e espaçamento entre eles) foram otimizados usando ferramentas quimométricas. O complexo avidina-biotina foi utilizado como modelo de ligação para mostrar a aplicabilidade do sistema proposto. Para os microssistemas biomoleculares, os eletrodos (com geometria otimizada) foram fabricados sobre a superfície de uma placa de vidro por fotolitografia, sputtering e lift-off. Os eletrodos de detecção foram isolados com uma camada de óxido de silício com espessura de 50 nm, depositada pelo processo de deposição química em fase de vapor assistida por plasma. A camada de SiO2 foi modificada quimicamente com solução de 3-amino-propil-trietóxi-silano em etanol. Para imobilização covalente de biotina, uma alíquota de 10 ?L de fotobiotina dissolvida em água (0,1 mg/mL) foi adicionada à superfície e exposta a radiação ultravioleta (365 nm, 10 mW/cm2) durante 15 min. A detecção foi realizada aplicando um sinal senoidal, a partir de um gerador de funções, ao eletrodo de excitação registrando o sinal resultante nos dois eletrodos receptores. Para minimizar a captura de ruído elétrico, os experimentos foram realizados em uma gaiola de Faraday. O controle e a aquisição de dados foi feito mediante um software escrito em LabVIEW monitorando os sensorgramas de condutividade em tempo real. Os canais microfluídicos foram fabricados em PDMS por litografia suave e selados irrevesivelmente contra a placa de vidro contendo os eletrodos isolados e modificados quimicamente. As soluções (tampão e amostra) foram manuseadas com auxílio de uma bomba peristáltica ou duas bombas seringas. Soluções contendo tampão e avidina foram introduzidas nos microcanais e as mudanças de conductividade foram monitoradas em função do tempo. As soluções contendo avidina permaneceram em contato com a superfície modificada até o sinal de condutividade atingir um patamar de equilíbrio. Depois disso, solução tampão foi introduzida no microcanal para remover os analitos adsorvidos à superfície. Duas válvulas solenóides foram utilizadas para permitir um controle automático da distribuição das soluções nos microcanais. O limite de detecção obtido para a interação entre avidina e biotina foi de 75 nmol L-1. / The study reported in this thesis shows the application of a capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) for monitoring biomolecular interactions on analytical microsystems. Initially, the analytical performance of the microsystems fabricated in glass, poly(dimethylsiloxane) (PDMS) and polyester-toner (PT) was investigated in order to choose the best material (in terms of fabrication facilities, costs and repeatability) for the biomolecular assays. Among all substrate materials studied, devices fabricated in PT showed suitability for quick experiments, in which the analytical repeatability is not the most important parameter. The devices fabricated in PDMS and sealed against a glass plate presented the best results in terms of repeatability and the analytical performance was similar to that one of glass devices. For this reason, PDMS/glass devices were chosen for showing the goals of this thesis. On the other hand, PT devices were employed to study the geometrical design of the C4D system. The instrumentation for monitoring binding assays was basically composed of two C4D systems, a software written in LabVIEW and a solution pumping system. In order to find the suitable detection cell configuration for this dual-C4D system, designs containing three, four and five electrodes were evaluated on PT devices. The optimal design was composed of three electrodes symmetrically spaced. In this configuration, one electrode is used for applying an excitation sinusoidal wave and the other two for picking up the resulting signal. The dimensions of the electrodes (width and gap) were optimized by chemometric tools. The avidin-biotin complex was used as a binding model for showing the feasibility of the proposed system. For the biomolecular microsystems, electrodes were fabricated on glass surface using photolithographic, sputtering and lift-off processes. Detection electrodes were insulated with a 50-nm silicon oxide layer deposited by plasmaenhanced chemical vapor deposition. The SiO2 layer was functionalized by immersing the cleaned surface in a 3-aminopropyltriethoxy-silane solution in ethanol for 3 h. For biotinylation of the amino-silane layer, 10 ?L of photobiotin dissolved in deionized water (0.1 mg/mL) was dropped on the modified glass surface and exposed to a 365 nm UV radiation at intensity of 10 mW/cm2 for 15 min. Detection was carried out by passing a sinusoidal excitation signal from the function signal generator to the first electrode and picking up the resulting signal at the two receiver electrodes. To reduce electrical noise pickup, all measurements were carried out in a Faraday cage. The data acquisition was obtained in a software written in LabVIEW and the conductivity sensorgrams were recorded in real-time. The microfluidic network was fabricated in PDMS by soft lithography and irreversibly sealed against the electrodes plate. Solutions were handled into microfluidic channels using a peristaltic pump or two syringe pumps. Buffer and avidin-containing solution was injected into the microchannels and conductivity changes were monitored over time. Avidin solutions were allowed to remain in contact with the surface until a stable conductivity had reached equilibrium. Avidin-free buffer solutions were then injected to rinse off non-specifically bound analytes. Two solenoid valves were used to allow an automatic dispensing of the sample/buffer solution into microchannels. The limit of detection found for avidin-biotin system was 75 nmol L-1.

A presente tese é o resultado de um complexo trabalho de instrumentação em Eletroforese Capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D) visando à análise de biomoléculas. No que diz respeito à instrumentação, dois equipamentos de CE (H1 e B1), que possuem um sistema único de eletrólise separada (MSE), foram desenvolvidos. H1 possui apenas um capilar, e nele foi desenvolvida a maioria dos experimentos apresentados nesse trabalho. Neste equipamento, foi implementado um sistema de marcas térmicas, cuja aplicação foi demonstrada na correção de variações nos tempos de migração dos íons Na+ e K+ presentes em clara de ovos. Também realizamos a separação e detecção (10 µmol·L-1 ) de proteínas entre 12 e 66 kDa, comprovando que a detecção dessas moléculas é factível, desde que se use agentes que evitem a adsorção. Experimentos de separação e detecção de quitooligossacarídeos produzidos enzimaticamente também foram desenvolvidos em H1. Com o uso de NaOH como eletrólito de corrida acrescido de acetonitrila como agente modificador, verificamos a separação completa de seis quitooligossacarídeos (C1 a C6) com limites de detecção e quantificação inferiores a 3 µmol·L-1 e 10 µmol·L-1 , respectivamente. Após ensaios enzimáticos dos substratos C2 a C6 com a quitinase purificada de um besouro Tenebrio molitor (TmChi), observamos que esta cliva com baixíssima eficiência tanto C2 como C3. A mesma é capaz de clivar C4 produzindo C2 e sua ação sobre C5 gera C2 e C3, sendo este o substrato de maior afinidade. C6 também é clivado por essa quitinase, gerando, contudo, C2 ou C3, o que indica que ela é uma endoquitinase. O equipamento B1 possui oito capilares e oito detectores condutométricos sem contato, possuindo a maior relação sinal/ruído a 1 MHz e 4 Vpico-a-pico. O equipamento possibilita a separação simultânea de até oito amostras distintas com quatro possíveis eletrólitos e potenciais de trabalho. Nesse equipamento, foram desenvolvidas as separações dos vinte aminoácidos proteinogênicos, usando-se duas condições distintas de separação, ambas em meio ácido. Separações em meio básico e com potenciais de separação variados também foram avaliadas. Além dos sistemas H1 e B1, também foi desenvolvido um microchip em PDMS com um biorreator enzimático (IMER) para detecção de glicose. A detecção de peróxido formado pela ação da enzima glicose oxidase presente no IMER foi realizada por amperometria. O chip apresentou as melhores condições de separação e detecção desse açúcar usando-se eletrodo de trabalho a 0,9V, pH 8,5 e separação a 1100 V. Foi verificada uma relação linear entre as concentrações de 0,1 a 6,2 mmol·L-1 de glicose injetada, com relação ao pico de corrente obtido. Com as condições otimizadas do chip, determinou-se a concentração de glicose em amostra de refrigerante, obtendo-se uma concentração de 216 mmol·L-1 , valor semelhante ao obtido em literatura. / This work shows the development of two equipments (H1 and B1) of capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (C4D) applied to the analysis of biomolecules. They have a system named MSE (module for separated electrolysis) that avoids the harmful effect of electrolysis. H1 have only one capillary and the majority of the experiments presented here were developed in this equipment. It also have a system of thermal marks (TM) used to correct the EOF effect on the migration of ions Na+ e K+ in egg white. We also developed the separation and detection of proteins (10 µmol·L-1) between 12 an 66 kDa, showing that C4D can be used to detect these molecules using substances to avoid adsorption on the capillary wall. Experiments of separation and detection of chitooligosaccharides enzymatically produced were also developed in H1. By using NaOH and acetonitrile as the electrolyte, we did the complete separation of six chitooligosaccharides (C1 to C6) with limits of detection and quantification less than 3 µmol·L-1 and 10 µmol·L-1 , respectively. After the enzymatic assays of C2 to C6 with the chitinase purified from the beetle Tenebrio molitor (TmChi), it is observed that this enzyme cut these substrates with very low efficiency, as expected. This enzyme also cut C4 producing C2 and cut C5 producing C2 and C3. C5 is the best substrate for this enzyme. C6 produces C2 and C3, showing that this enzyme is a endo- chitinase type. The equipment B1 has eight capillaries and eight C4D detectors with the best signal/noise ratio at 1 MHz e 4 Vpeak-to-peak . By using B1, it is possible run up to eight different samples with four different electrolytes and separation potentials. In this equipment, we develop the separation of 20 proteinogenic amino acids (AAs) using two different separation conditions at low pH. Separations of these molecules using high-pH electrolytes and with different potentials were also demonstrated. The development of a microchip of PDMS with an immobilized enzyme reactor (IMER) to the glucose detection was also constructed. The detection of hydrogen peroxide produced by the enzyme glucose oxidase linked on the IMER was measured by amperometry. The performance of this chip was evaluated with glucose and peroxide injections. The best potential for the oxidation of the hydrogen peroxide was 0.9V, using electrolyte at pH 8.5 and 1100 V as the potential of separation. A linear curve was observed between peak current and glucose concentration in the range from 0.1 up to 6.2 mmol·L-1 . Determinations in soda shows 216 mmol·L-1 of glucoce, that is a good agreement with other reports.

Neste trabalho, foram efetuados estudos sobre o comportamento eletroforético dos íons hidrônio (H3O+) e hidroxila (OH-) utilizando eletroforese capilar em zona em meio não-tamponado e detecção condutométrica sem contato. Alterações na composição do eletrólito de corrida devido à eletrólise foram evitadas empregando um sistema de eletrólise separada. A determinação de ácidos com pKas menores ou iguais ao pH do eletrólito de corrida foi possível. A possibilidade da análise em bases fortes também foi demonstrada. Eletrólitos de corrida com pH entre 4,5 e 7,0 (para o H3O+) e entre 7,0 e 9,0 (para o OH-) mostraram-se favoráveis para a análise. Ambas as espécies apresentaram interação com os grupos silanóis do capilar. Dificuldades na análise do íon OH- decorreram também de: reação da sílica com o analito e com o eletrólito de corrida e absorção de CO2 atmosférico. A mobilidade do íon H3O+ medida foi 8% abaixo da obtida por outras técnicas. A curva para determinação de OH- em base forte, com solução de trifluoracetato de lítio 10 mmol L-1 (pH 8,5) como eletrólito de corrida, mostrou boa linearidade na faixa de 0,5 a 7,0 mmol L-1. As curvas de quantificação de H3O+ titulável em amostras de ácidos fortes, fracos e suas misturas, com solução de LiCl (pH 5,5) como eletrólito de corrida, apresentaram ampla faixa de resposta linear, com boa linearidade, ao redor de 0,05 a 10 mmol L-1. / In this work, studies about the electrophoretic behavior of hydronium (H3O+) and hydroxyl (OH-) ions using capillary zone electrophoresis in unbuffered medium and contactless conductity detection were developed. Variations in running electrolyte composition due to electrolysis were avoided using an electrolysis separated system. The analysis of acids with the same or lower pKa than the running electrolyte pH was possible. The possibility of strong bases analysis was demonstrated as well. Good results were achieved using running electrolytes with pH between 4.5 and 7.0, for H3O+ analysis, and between 7.0 and 9.0, for OH- analysis. Both species interacted with the silanol groups of silica capillary. Other problems in the determination of OH- were: reaction of silica with the analyte as well as with the running electrolyte and absorption of atmospheric CO2. The H3O+ mobility calculated was 8% lower than values obtained in the literature. Analytical curve of OH- ion in strong base, using 10 mmol L-1 litium trifluoracetate (pH 8.5) as running electrolyte, resulted in good linearity in a range of 0.5 to 7.0 mmol L-1. Analytical curves of titrable hydronium ion in samples of strong and weak acids, as well in their mixture, using 10 mmol L-1 LiCl (pH 5.5) as running electrolyte, resulted in wide linear range (0.05 mmol L-1 to 10 mmol L-1).

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2014-10-06T10:38:15Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Camilla Benevides Freitas - 2014.pdf: 3459062 bytes, checksum: 7aadb2577af4955f871479e3fba5d319 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-10-06T15:38:01Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Camilla Benevides Freitas - 2014.pdf: 3459062 bytes, checksum: 7aadb2577af4955f871479e3fba5d319 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-06T15:38:01Z (GMT). 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The best separation of chloride (Cl-), nitrate (NO3-), sulfate (SO42-) and nitrite (NO2-) was obtained with mixture of lactic acid (30 mmolL-1) and histidine (15 mmolL-1). Frequency and amplitude were ranged from 100 to 1200 kHz and from 1 to 100 Vpp, respectively. Test with detection parameters was performed employed a classic univariate approach. Frequency of the 1100 kHz and amplitude of 60 Vpp was found the best condition for separation process. Quantitative analysis was performed in different real samples as well as honey, sausage, biofertilizers, river water, tap water and aquarium environment water. In honey sample found Cl-, NO3- e SO42-. Meia Ponte River and João Leite stream was found Cl- e SO42-. These same species was also found in sausage sample. In the analysis of aquarium environment water was observed Cl-, NO3-, SO42- and NO2-. Besides the quantitative analysis, the monitoring of inorganic ions (Cl-, NO3-, SO42- and NO2-) in aquarium environment with and without fish. The water without fish was possible keep up with nitrification process in the nitrogen cycle and to examine the conversion time of the species involved. On the other hand, in analyses of water with fish the results showed an increase of nitrate concentration over weeks and were possible quatify the nitrite in lethal level for fish. According to the results achieved herein, it is possible to conclude that the use glass electrophoresis chips associated with commercial instrumentation has demonstrated good capability of performing quantitative analysis of important environmental compounds in real samples. / Este trabalho descreve a avaliação de um sistema eletroforético comercial para análise de íons inorgânicos em uma diversidade de amostras reais. A separação eletroforética foi realizada em um microchip comercial a base de vidro com detecção condutométrica sem contato capacitivamente acoplada (C4D). Realizou-se um estudo de otimização da concentração do eletrólito bem como os parâmetros de detecção como frequência e amplitude da onda senoidal. Além disso, foi avaliado o desempenho analítico do sistema com estudos de lineraridade, repetibilidade e recuperação. O melhor eletrólito para realizar a separação cloreto (Cl-), nitrato (NO3-), sulfato (SO42-) e nitrito (NO2-) foi a mistura de ácido láctico e histidina na concentração de 30 e 15 mmolL-1, respectivamente. Variou-se a frequência de 100 a 1200 kHz e a amplitude de 1 a 100 Vpp. Aplicou-se o método univariado para análise de frequência e amplitude, no qual as melhores condições encontradas foram frequência de 1100 kHz e amplitude de 60 Vpp. Encontrada as condições ideais para análise dos ânions, fez-se um estudo de quantificação dos íons em amostras de mel, salsicha, biofertilizante, água de rio, torneira e áquario. Na amostra de mel foi encontrado Cl-, NO3- e SO42-. Nas águas de torneira, do Rio Meia Ponte e do Ribeirão João Leite foram encontrados Cl- e SO42-. Essas mesmas espécies foram encontradas também nas amostras de salsicha. Na análise de água de um ambiente de aquário foram encontrados Cl-, NO3-, SO42- e NO2-. Além da análise quantitativa, realizou-se o monitoramento dos íons inorgânicos (Cl-, NO3-, SO42- e NO2-) em um ambiente simulado de aquário sem peixes, no qual possibilitou acompanhar o processo de nitrificação no ciclo do nitrogênio e verificar o tempo de conversão das espécies envolvidas. O mesmo monitoramento foi realizado em um ambiente de aquário com peixes, possibilitando visualizar o aumento da concentração do nitrato ao longo das semanas e quantificar o nitrito em um nível que pode ter sido letal para os peixes. De acordo com os resultados descritos, conclui-se que os chips eletroforéticos de vidro, associados à instrumentação comercial, demonstraram boa capacidade de realizar análises quantitativas de importantes compostos ambientais em amostras reais.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work describes the development and evaluation of a home-made capillary electrophoresis (CE) system based on the capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) for the application in capillary zone electrophoresis (CZE). The C4D detection is based on prototypes previously described in the literature. The equipment constructed has a hydrodynamic injection system (gravity), a temperature control system based on the heating of the system and it is equipped with two carousels for the sample changing. The electrophoretic system developed in this work has a high automation degree in relation to other existing CE systems. All the components of the CE system are operated by a computer interface, including the sample changers that allow the manipulation of solutions in a fully automated way. The control of the components of the CE system and the data acquisition were made by using a software, which was developed in a Delphi 7.0 language. After the construction and configuration of the CE system, the performance was initially evaluated by applying some methods previously described in the literature for the separation of Na(I), K(I), Ca(II) and Mg(II). The results are in agreement with the literature and show the proper performance of the home-made CE C4D system. The developed system was used for the simultaneous determination of the metallic species Zn(II), Cr(III), Pb(II), Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II) and Tl(I) in different samples. The separation of 8 cations was investigated by using working electrolytes containing 2-[N-morpholino]ethanesulfonic acid (MES) and histidine (His) at different compositions. The use of complexing agents and an organic solvents as additives was also evaluated. The optimized conditions enabled the determination of 8 cations in a single run after 15 minutes using a solution containing 20 mmol L−1 MES/His (pH 5.0) and 5% MeOH (v/v) as working electrolyte, 10 kV as separation potential and the C4D detector operating at 600 kHz and 2 Vpp. The constructed CE-C4D system was shown to be very reproducible for electrophoretic analysis of metallic cations, with relative standard deviations (RSD) for the migration times of all the studied cations ranging from 2.6 to 9.2%. The detection limits calculated for the 8 cations ranged from 1.69 to 22.17 μmol L−1, which allows the application of the methodology for determinations in real samples using the developed electrophoretic system. / Este trabalho descreve a construção e avaliação de um sistema de eletroforese capilar com detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (CE−C4D) para sua aplicação em eletroforese capilar de zona (CZE). A detecção por C4D é baseada em protótipos previamente descritos na literatura. Para o equipamento construído foram desenvolvidos um sistema de injeção de amostra por gravidade e um sistema de controle de temperatura por aquecimento, além de estar equipado com 2 amostradores acoplados ao sistema eletroforético, possuindo assim um grau de automação maior em relação aos outros sistemas já existentes. Todos os componentes do sistema são operados através de uma interface via computador, incluindo os amostradores que permitem a manipulação de soluções de forma completamente automatizada. O controle dos componentes do sistema eletroforético e a aquisição de dados foram feitos mediante um software escrito em linguagem Delphi 7.0. Após a sua montagem e configuração, o desempenho do sistema eletroforético foi inicialmente testado de acordo com metodologias previamente descritas na literatura para a separação de Na(I), K(I), Ca(II) e Mg(II). Os resultados obtidos estão de acordo com os encontrados na literatura e indicam o desempenho adequado do sistema CE C4D construído em laboratório. O sistema desenvolvido foi empregado no desenvolvimento de um método eletroforético para a determinação simultânea dos cátions metálicos Zn(II), Cr(III), Pb(II), Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II) e Tl(I) em amostras de água. A separação dos 8 cátions foi investigada em eletrólitos de trabalho contendo ácido 2-N-morfolinoetanossulfônico (MES) e histidina (His) com diferentes composições. O uso de agentes complexantes e de solventes orgânicos como aditivos também foi avaliado. A melhor condição possibilitou a determinação dos 8 cátions em uma única corrida após 15 minutos utilizando a solução de MES/His 20 mmol L−1 (pH 5,0) e MeOH 5% (v/v) como eletrólito de trabalho, 10 kV como potencial de separação, com o detector C4D operando em 600 kHz e 2 Vpp. O sistema CE C4D construído demonstrou ser altamente reprodutível para análises eletroforéticas de cátions metálicos, o qual forneceu valores de desvio padrão relativo entre 2,6 e 9,2% para os tempos de migração de todos os cátions estudados. Limites de detecção calculados para os 8 cátions entre 1,69 e 22,17 μmol L−1 permitem a aplicação da metodologia para determinações em amostras reais empregando o sistema eletroforético desenvolvido.

Neste trabalho, foram efetuados estudos sobre o comportamento eletroforético dos íons hidrônio (H3O+) e hidroxila (OH-) utilizando eletroforese capilar em zona em meio não-tamponado e detecção condutométrica sem contato. Alterações na composição do eletrólito de corrida devido à eletrólise foram evitadas empregando um sistema de eletrólise separada. A determinação de ácidos com pKas menores ou iguais ao pH do eletrólito de corrida foi possível. A possibilidade da análise em bases fortes também foi demonstrada. Eletrólitos de corrida com pH entre 4,5 e 7,0 (para o H3O+) e entre 7,0 e 9,0 (para o OH-) mostraram-se favoráveis para a análise. Ambas as espécies apresentaram interação com os grupos silanóis do capilar. Dificuldades na análise do íon OH- decorreram também de: reação da sílica com o analito e com o eletrólito de corrida e absorção de CO2 atmosférico. A mobilidade do íon H3O+ medida foi 8% abaixo da obtida por outras técnicas. A curva para determinação de OH- em base forte, com solução de trifluoracetato de lítio 10 mmol L-1 (pH 8,5) como eletrólito de corrida, mostrou boa linearidade na faixa de 0,5 a 7,0 mmol L-1. As curvas de quantificação de H3O+ titulável em amostras de ácidos fortes, fracos e suas misturas, com solução de LiCl (pH 5,5) como eletrólito de corrida, apresentaram ampla faixa de resposta linear, com boa linearidade, ao redor de 0,05 a 10 mmol L-1. / In this work, studies about the electrophoretic behavior of hydronium (H3O+) and hydroxyl (OH-) ions using capillary zone electrophoresis in unbuffered medium and contactless conductity detection were developed. Variations in running electrolyte composition due to electrolysis were avoided using an electrolysis separated system. The analysis of acids with the same or lower pKa than the running electrolyte pH was possible. The possibility of strong bases analysis was demonstrated as well. Good results were achieved using running electrolytes with pH between 4.5 and 7.0, for H3O+ analysis, and between 7.0 and 9.0, for OH- analysis. Both species interacted with the silanol groups of silica capillary. Other problems in the determination of OH- were: reaction of silica with the analyte as well as with the running electrolyte and absorption of atmospheric CO2. The H3O+ mobility calculated was 8% lower than values obtained in the literature. Analytical curve of OH- ion in strong base, using 10 mmol L-1 litium trifluoracetate (pH 8.5) as running electrolyte, resulted in good linearity in a range of 0.5 to 7.0 mmol L-1. Analytical curves of titrable hydronium ion in samples of strong and weak acids, as well in their mixture, using 10 mmol L-1 LiCl (pH 5.5) as running electrolyte, resulted in wide linear range (0.05 mmol L-1 to 10 mmol L-1).

Neste trabalho foram desenvolvidas estratégias para a determinação de cafeína e detecção de adulterações no café, empregando a eletroforese capilar com detecção condutométrica sem contato (CE-C4D). A estratégia desenvolvida para a separação da cafeína se baseia na complexação dinâmica do analito com o ânion do eletrólito de corrida, 3,4-dimetoxicinamato. Utilizou-se como eletrólito de corrida 20 mmol L-1 de ácido 3,4-dimetoxicinâmico/Tris (pH 8,5). As separações foram conduzidas contra o fluxo eletrosmótico e o tempo de análise foi menor do que 5 minutos. Adicionalmente, o método se mostrou seletivo uma vez que análogos da cafeína (teobromina e teofilina) apresentaram tempo de migração diferenciado. O método proposto foi comparado com uma metodologia padrão (HPLC), apresentando resultados concordantes. O método foi aplicado para a determinação de cafeína em amostras de café convencional, solúvel e descafeinado. O limite de quantificação estimado para o método (0,33 mg/g) se mostrou suficientemente baixo, de forma a atender às exigências da legislação vigente. A identificação de adulterações no café provenientes da adição de outros materiais pode ser procedida utilizando como indicadores os teores totais de glicose e xilose obtidas por hidrólise controlada. Para promover a separação dessas espécies dos demais carboidratos presentes no café, varias estratégias foram avaliadas. As separações foram realizadas utilizando NaOH como eletrólito de corrida, de forma a possibilitar a ionização dessas espécies. O emprego de aditivos como metanol, acetonitrila e íons borato foram avaliados. A melhor condição obtida foi utilizando 80 mmol L-1 de NaOH, 0,5 mmol L-1 CTAB e 30% (v/v) de metanol. Os resultados mostraram que é possível identificar contaminações menores que aquelas consideradas como limites aceitáveis. / In this work, methods based on capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductivity detection (CE-C4D) for the determination of caffeine in coffee as well as for the identification of its adulteration by addition of some other vegetal products were developed. Caffeine is a neutral species, and the proposed method was based on its mobilization by the formation of a complex with the anion 3,4 dimethoxycinnamate. The experiments were carried out in buffer Tris/3,4 dimethoxycinnamic acid (pH 8.5) and the migration of the complex was done in counter electroosmotic flow. The running time was less than 5 minutes. In addition, theobromine and theophylline (two caffeine analogues) were completely separated. The new method was compared to a standard method based on HPLC, and similar results were obtained. Samples of integral, soluble, and decaffeinated coffees were analyzed and the limit of quantification (0.33 mg/g) was low enough to fulfill the Brazilian norm. The proposed approach for the identification of adulteration was based on the controlled hydrolysis of xylan and starch present in some vegetable adulterants, followed by the analysis of the resulting xylose and glucose, which are the monosaccharides that compose, respectively, the two polysaccharides. Although the monosaccharides are neutral species in ordinary conditions, they form anionic species in high values of pH. The best separations were obtained in NaOH 80 mmol L-1, CTAB 0.5 mmol L-1, and methanol 30% (v/v). The results showed that it is possible to identify levels of contamination below tolerable limits.