Sensores eletroquímicos, constituídos de substratos metálicos modificados por metaloporfirinas e de superfícies livres de agentes modificadores, foram desenvolvidos com vistas a aplicações analíticas. Eletrodos de cobre apresentaram ação eletrocatalítica para a oxidação de ácido acetilsalícílico, com possível participação de Cu(III) como mediador na reação de transferência de elétrons. A oxidação de salbutamol sobre eletrodos de carbono vítreo foi conduzida em solução fortemente alcalina, condição na qual a determinação do analito foi viabilizada devido à eliminação de problemas associados à presença de interferentes e ao envenenamento do eletrodo. Superfícies de carbono vítreo, modificadas por adsorção e por eletropolimerização de porfirinas tetrarrutenadas de cobalto (CoTRP) e de níquel (NiTRP), respectivamente, demonstraram a versatilidade que tais compostos oferecem quanto ao modo de recobrimento do sensor, levando à obtenção de efeitos atrativos, tais como eletrocatálise e prevenção de envenenamento. Filmes de CoTRP, cujos sítios ativos são atribuídos ao par redox Ru(III)/Ru(II), mostraram-se úteis na determinação de acetaminofen, facilitando a reação de transferência de elétrons e protegendo o eletrodo contra o envenenamento. A atividade eletrocatalítica de eletrodos modificados por NiTRP, baseados em filmes com centros redox Ni(III)/Ni(II), foi evidente para a oxidação de glicose e de outros compostos orgânicos em meio alcalino. Os sensores desenvolvidos foram adaptados ao sistema BIA (batch injection analysis) para a determinação amperométrica dos analitos em amostras de produtos farmacêuticos. O método BIA mostrou-se adequado para as análises, sendo possível obter sinais transientes de corrente, boa estabilidade e alta dispersão. Os resultados bastante satisfatórios demonstram a aplicabilidade dessa técnica em análises em que alta velocidade e boa precisão são freqüentemente requisitadas. / Electrochemical sensors based on bare and modified electrodes were developed for analytical purposes. Copper electrodes exhibited electrocatalytical action for the acetylsalicylic acid oxidation, with the participation of Cu(III) species as electron-transfer mediators. The salbutamol oxidation at glassy carbon electrodes was carried out in strongly alkaline solution. In such a condition, interferences and electrode fouling were eliminated and the analyte quantification was enabled. Glassy carbon surfaces modified via adsorption and electropolymerization of tetraruthenated cobalt (CoTRP) and nickel (NiTRP) porphyrins, respectively, displayed the usefulness of these compounds for the obtainment of electrocatalysis and fouling prevention. Films based on CoTRP, from what Ru(III) are the active sites, were applicable to acetaminophen analysis by facilitating the electron transfer process and protecting the electrode against fouling. The electrocatalytical activity of modified NiTRP electrodes, based on films with Ni(III)/Ni(II) redox centers, was evident for glucose oxidation and other organic compounds. The sensors were coupled to the BIA (batch injection analysis) system for the amperometric determination of the analytes in pharmaceutical products. BIA was suitable because it presented sharp current response peaks, excellent stability and rapid washing out. The satisfactory results demonstrate the feasibility of such technique for fast analyses with good precision.

Estudos com eletrodos modificados foram conduzidos utilizando dois sistemas porfirínicos supramoleculares diferentes. O primeiro foi baseado na modificação de eletrodo de carbono vítreo com uma porfirina de níquel tetrarrutenada, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. A modificação do eletrodo foi realizada por meio de sucessivos ciclos voltamétricos em meio alcalino (pH 13), gerando um eletrodo com característica similar a eletrodos modificados com α-Ni(OH)2. A caracterização química do filme formado foi realizada através das técnicas de voltametria cíclica, ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia eletrônica por reflectância e espectroscopia Raman com ensaio espectro-eletroquímico. Os resultados sugerem a formação de um polímero de coordenação, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composto por subunidades porfirínicas ligadas entre si por pontes µ-peroxo axialmente coordenadas aos átomos de níquel (Ni-O-O-Ni). O crescimento do filme apresentou dependência da alcalinidade do meio pela formação do precursor octaédrico [Ni(OH)2TRPyP]2+ em solução, pela coordenação de OH- nas posições axiais do átomo de níquel. O processo de eletropolimerização indicou a participação de radical hidroxil, gerado por oxidação eletrocatalítica da água nos sítios periféricos da porfirina contendo o complexo de rutênio. O mesmo eletrodo foi aplicado como sensor eletroquímico para análise amperométrica de ácido fólico em comprimidos farmacêuticos. O sensor foi associado a um sistema de Batch Injection Analysis (BIA) alcançando considerável rapidez e baixo limite de detecção. Para as análises das amostras também foi proposto um método para a remoção da lactose, que agia como interferente. O segundo estudo envolveu a modificação de eletrodos de carbono vítreo com diferentes hemoglobinas, naturais (HbA0, HbA2 e HbS) e sintéticas (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4), para a avaliação da eficiência na redução eletrocatalítica de nitrito mediada por FeI-heme. Os filmes foram produzidos pela mistura de soluções das hemoglobinas com brometo de didodecildimetiltrimetilamônio (DDAB), aplicados nas superfícies com consecutiva evaporação, formando filmes estáveis. Os valores de potencial redox para os processos do grupo heme e a sua associação com a disponibilidade do grupo na proteína foram avaliados por voltametria cíclica. Os valores das constantes de velocidade, k, para redução de nitrito foram obtidos por cronoamperometria em -1,1 V (vs Ag/AgCl(KCl 3M)) que foram utilizados para estudo comparativo entre as espécies sintéticas para eventual aplicação clínica. / Studies with modified electrodos were conducted using two different supramolecular porphyrin systems. The first one was based on the modification of glassy carbon electrode with a tetraruthenated nickel porphyrin, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. The electrode modification was carried out through successive voltemmetric cycles in alkaline media (pH 13), generating an electrode with feature similar to α-Ni(OH)2 modified electrodes. The chemical characterization of this film was performed by cyclic voltammetry, electronic paramagnetic resonance, reflectance electronic spectroscopy and Raman spectroscopy with spectroelectrochemistry assay. The results suggested the formation of a coordination polymer, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composed by porphyrin subunits linked by µ-peroxo bridges axially coordinated to nickel atoms (Ni-O-O-Ni). The film growth showed dependence of the alkaline media by the formation of octahedral precursor [Ni(OH)2TRPyP]2+ in solution by way of axial coordination of OH- to the nickel atoms. The electropolymerization process showed to have a contribution from hydroxyl radicals, generated by electrocatalytic oxidation of water on the peripheral sites containing the ruthenium complexes. The same electrode was applied as an electrochemical sensor for amperometric analysis of folic acid in pharmaceutical tablets. The sensor was associated to a Bath Injection Analysis (BIA) system, achieving good sampling frequency and low detection limit. For the samples analysis, it was also proposed a method for lactose removal. The second study comprises the modification of glassy carbon electrodes with different hemoglobin species, of natural occurrence (HbA0, HbA2 e HbS) and synthetics (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4) for evaluation of efficiency on electrocatalytic reduction of nitrite mediated by FeI-heme. The films were produced by mixing solutions of the hemoglobins with didecyldimethylammonium bromide (DDAB), applied on the surfaces with following solvent evaporation, forming stable films. The redox potential values for the heme group processes and the heme availability in the protein were evaluated by cyclic voltammetry. The reaction rate constants, k, for nitrite reduction were obtained by chronoamperometry at -1,1 V, which were used for comparative study between the synthetic species for further clinical applications.

Esta tese descreve a preparação, caracterização e desenvolvimento de biossensores baseados na imobilização de enzimas em filmes nanoestruturados. Os filmes foram obtidos pela técnica de automontagem do inglês Layer-by-Layer (LbL) ou pela técnica de Langmuir-Blodgett (LB). A tese se divide em três partes: a primeira parte teve como objetivo o estudo e a aplicação de filmes finos nanoestruturados, contendo enzima tirosinase (Tyr), em biossensores para detecção de moléculas antioxidantes (polifenóis), visando sua aplicação na indústria de alimentos, em especial a de vinhos tintos. Foi utilizada a técnica LB para a imobilização da enzima Tyr sobre substratos sólidos (ITO ou Pt) sem que a enzima perdesse sua atividade. A enzima foi incorporada a filmes LB mistos de ácido araquídico (AA) e bisftalocianina de lutécio (LuPc2) pela injeção na subfase aquosa. A LuPc2 foi usada como mediadora de transferência de cargas. Foi possível a detecção do composto fenólico representativo pirrogalol. Estudos de voltametría cíclica demonstraram que o biossensor possui uma boa reprodutibilidade com desvio padrão de ca. 2% (n = 4), limite dinâmico de até 400 \'mü\'M (potencial aplicado de 0,4 V; R2: 0,993), sensibilidade de 1,54 \'mü\'A.\'mü\'M POT.-1/\'CM POT.2\' e limite de detecção (critério 3\'sigma\'0/m) de 4,87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). A segunda parte do trabalho descreve o desenvolvimento de sensores eletroquímicos baseados em filmes automontados LbL de hidrocloreto de polialilamina (PAH) e LuPc2. A motivação para o estudo foi a troca do material biológico (Tyr) pela LuPc2, a qual possui poder catalítico e relativa seletividade, capaz de mimetizar algumas proteínas. A LuPc2 foi utilizada como enzima artificial na quantificação de catecol e pirogalol como representantes de compostos fenólicos. Em medidas de voltametria, o sensor automontado de PAH/LuPc2 apresentou boa linearidade (R2 = 0,992) na faixa de até 500 \'mü\'M, com uma sensibilidade de 90 nA/\'mü\'M e limite de detecção de 8 \'mü\'M. Nas medidas cronoamperométricas, os sensores apresentaram uma ampla faixa linear (R2 = 0,994; tempo de resposta de 60 s) de até 900 \'mü\'M e limite de detecção (LD) de 37,5 x \'10 POT.-8\' M (sensibilidade de 20 nA/\'mü\'M) para o catecol. Por fim, estudou-se a fabricação de filmes LbL baseados em dendrímero poli(propileno imina) (PPID) e metaloftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) em sensores baseados em transistores de efeito de campo (FET). Neste caso, os filmes foram utilizados como membranas sensíveis na aplicação de sensores de pH e \'H IND.2\'O IND.2\'. Também se demonstra a importância de se utilizar estruturas dendríticas nesse tipo de filme, comparando estes filmes com aqueles contendo um polieletrólito fraco linear (PAH). Foi dada ênfase à fabricação dos filmes pela técnica LbL e sua aplicação em sensores do tipo FET de porta estendida e separada (SEGFET). Filmes LbL baseados em enzimas artificiais se mostram bastante promissores em aplicações reais por serem relativamente baratos e simples, possibilitando o uso de variados tipos de materiais. A utilização desses filmes em dispositivos baseados em estruturas SEGFET possibilita a miniaturização dos sensores bem como sua produção unindo técnicas convencionais de fabricação microeletrônica. / This thesis describes the preparation, characterization and development of biosensors based on nanostructured films containing immobilized enzymes and metallophthalocyanines. The films were obtained using the Layer-by-Layer (LbL) or Langmuir-Blodgett (LB) techniques. In the first part of the thesis we describe the development of nanostructured thin films containing the enzyme tyrosinase (Tyr) and their use as biosensors for detection of antioxidants molecules (polyphenols), which find applications in the food industry, specialy red wines. The enzyme was incorporated into the mixed LB films of arachidic acid (AA) and lutetium bisphthalocyanine (LuPc2) by injection into the aqueous subphase followed by transference to ITO or Pt electrodes. The representative phenolic compound molecule to be detected was pyrogallol. Cyclic voltammetry studies shown that the biosensor response is highly reproducible with a standard deviation of ca. 2% (n = 4), dynamic range up to 400 \'mü\'M (applied potential of 0.4 V; R2: 0.993), sensitivity of 1.54 \'mü\'A/\'mü\'M.\'CM POT.2\' and detection limit (3 \'sigma\'0/m criteria) of 4.87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). The second part of this thesis focus on the development of electrochemical sensors based on LbL films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and LuPc2. The purpose of the study was to change the biological material (Tyr) by LuPc2. LuPc2 was used as an artificial enzyme in the quantification of catechol and pyrogallol as representative of phenolic compounds. In voltammetric measurements, the LbL PAH/LuPc2 sensors presented good linearity (R2 = 0.992) in the range up to 500 \'mü\'M with a sensitivity of 90 nA/\'mü\'M and detection limit of 8 \'mü\'M. As revealed by chronoamperometry measurements, the sensors exhibited a wide linear range (R2 = 0.994; response time of 60 s) up to 900 M and detection limit of 37.5 × \'10 POT.-8\' \'mü\'M (sensibility of 20 nA/\'mü\'M) for catechol. Finally, we investigated the fabrication of LbL films based on poly(propylene imine) dendrimer (PPID) and nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) as active elements in devices based on field effect transistors (FET). The films were used as sensitive membranes applied as pH and \'H IND.2\'O IND.2\' sensors. It was shown the importance on the LbL technique and its application in FET-based sensors such as the separated and extended gate FET (SEGFET). LBL films based on artificial enzymes exhibit great promise in real applications due to their low cost and simplicity. The use of these films in devices based on SEGFET structures allows miniaturization of the sensors and their production combining conventional microelectronics fabrication and nanotechnological tools.

As chapas de ligas de alumínio trabalháveis são produzidas atualmente por dois processos, o método de vazamento contínuo conhecido TRC (Twin Roll Continous Casting) ou pelo método tradicional de vazamento de placas DC (Direct Chill). A fabricação de ligas de alumínio pelos dois processos confere características microestruturais diferentes quando comparadas entre si, o que se reflete em suas propriedades. Além disto, ocorrem variações microestruturais ao longo da espessura, especialmente nas chapas produzidas pelo processo TRC. Neste sentido, é importante estudar a evolução microestrutural que ocorre durante o seu processamento e sua influência com relação à resistência à corrosão. Dessa forma foi realizado neste trabalho um estudo comparativo do comportamento de corrosão, bem como das microestruturas do alumínio de alta pureza AA1199 (99,995% Al) e das ligas de alumínio AA1050 (Fe+Si0,5%) e AA4006 (Fe+Si1,8%) produzidas pelos processos industriais de lingotamento contínuo e semi-contínuo. Os resultados obtidos evidenciaram que as microestruturas das ligas AA4006 DC e AA4006 TRC são distintas, sendo observada maior fração volumétrica dos precipitados na liga fabricada pelo processo TRC comparativamente ao DC. Para caracterizar o comportamento de corrosão foram realizados ensaios de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica e Polarização Potenciodinâmica, que mostraram a maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo TRC em comparação ao processo DC. Além disso, foi verificada, em ordem decrescente, uma maior resistência à corrosão do alumínio AA1050, seguida pela superfície da liga AA4006 e por fim, pelo centro da chapa desta última. Os resultados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica para as ligas AA4006 fabricadas pelo processo TRC apresentaram melhor desempenho que o processo DC, principalmente em intervalos de 2 a 12 horas de imersão na solução de sulfato de sódio contaminada com íons cloreto. Para tempos de imersão acima de 4 horas foi observado comportamento indutivo em baixas frequências para os dois tipos de processamento investigados, o que foi associado à adsorção de espécies químicas, principalmente íons sulfato e oxigênio, na interface metal/óxido. As curvas de polarização anódica mostraram maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo viii TRC em comparação ao processo DC. Este comportamento foi associado às diferentes características microestruturais, observadas para liga AA4006 obtida pelos dois processos. / Currently, wrought aluminum alloys are manufactured by two different processes: the twin roll continuous casting (TRC) or the more conventional method of Direct Chill (DC). The production method of the aluminum alloys through both processes results in different microstructures when compared to each other, which has a direct influence on their final properties. Besides this, there are also microstructural variations across sheet thickness, especially in alloys obtained by the TRC casting mode. Therefore, it is important to study the microstructural evolution that occurs during the casting process and its influence regarding corrosion resistance. In the present work both the microstructural characteristics and the corrosion behavior of the AA4006 (Fe + Si 1.8%) aluminum alloys sheets produced by both TRC and semi-continuous DC industrial processes were studied and compared to the commercial AA1050 aluminum (Fe + Si 0.5%) and to the high purity aluminum AA1199 (99,995% Al). The results demonstrate that size and distribution of intermetallic compounds are quite distinct in DC and TRC alloys, resulting in higher volumetric fractions of the precipitates in TRC, when compared to the DC process. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Potentiodynamic Polarization tests were carried out to establish the corrosion behavior of aluminum alloys, and in both tests a higher resistance to localized corrosion in the alloy produced by TRC, when compared to the DC process was verified.The results have also showed, in decreasing order, a higher corrosion resistance of AA1050 TRC followed by the surface of AA4006 TRC, and finally by the center of AA4006 TRC sheet. The electrochemical impedance spectroscopy results showed better performance in the center of the AA4006 TRC than in the its surface, when submitted to low aggressive media for periods of immersion higher than 24 hours. The AA4006 DC in sulfate solution containing chloride ions presented worse performance, mainly in immersion periods from 2 to 12 hours, when compared to the corrosion behavior in the AA4006 TRC process. After 4 hours of immersion, the impedance results presented inductive behavior in low frequencies for both manufacture processes. This behavior was attributed to the adsorption of intermediates, mainly sulfate and oxygen ions on metal/oxide interface. The anodic polarization curves showed higher localized corrosion resistance (Pit Corrosion) for the alloy manufactured by the TRC process in comparison to the DC process. This behavior was associated with different microstructural characteristics observed in AA4006 obtained by these two processes.

Esta tese apresenta os estudos e esforços visando ao desenvolvimento de sensores químicos para aplicações diversas na área forense. Foram desenvolvidos métodos eletroanalíticos para detecção e quantificação de alguns compostos comumente encontrados na adulteração de amostras de drogas de abuso (procaína, fenacetina, aminopirina, paracetamol, levamisol), além da cocaína e estudos fundamentais sobre o comportamento eletroquímico desses compostos. Empregaram-se também métodos eletroquímicos para quantificação de compostos tóxicos e perigosos como explosivos (ácido pícrico) e melamina por exemplo. Os trabalhos utilizando sensores eletroquímicos contemplam modificações eletroquímicas das superfícies eletródicas, utilização de sensores com polímeros molecularmentes impressos (MIP) e eletrodos descartáveis em papel utilizando diferentes técnicas voltamétricas e amperométricas, eletrodo disco rotatório (EDR) e microbalança de cristal de quartzo. Além da fabricação de dispositivos analíticos descartáveis em papel empregando detecção eletroquímica utilizou-se também a detecção colorimétrica para quantificação de alguns dos principais adulterantes de amostras de apreensão de cocaína, como procaína e fenacetina, bem como análises e discriminações de compostos explosivos (peroxi e nitro compostos) nessas plataformas portáteis e de baixo custo. Os métodos foram sempre desenvolvidos visando característicos como: facilidade, praticidade, baixo custo e portabilidade para análises diretamente no local de medida com mínima infraestrutura laboratorial. Por fim, são apresentados alguns estudos realizados durante estágio de pesquisa no exterior (Universidade da Califórnia - San Diego (UCSD)) na área de Wearable Sensors, em que foram desenvolvidos métodos para análises de micronutrientes no suor (zinco) e um metabólito (ácido úrico) na saliva usando sensores aplicados diretamente no corpo humano. / This thesis shows studies and efforts to the development of chemical sensors for different applications in the forensic field. Electroanalytical methods were developed for detection and quantification of some compounds (procaine, phenacetin, aminopyrine, acetaminophen, levamisole) commonly found in the drug of abuse adulteration process and cocaine, as well as, fundamental studies about the electrochemical behavior of these compounds. It was also employed electrochemical methods for quantification of hazardous compounds such as explosives (picric acid) and melamine. Analytical methods with electrochemical sensors included electrochemical modification of electrodic surfaces, molecularly imprinted polymers (MIP), and paper disposable electrochemical devices using different voltammetric and amperometric techniques, rotating disc electrode (RDE) and quartz crystal microbalance. In addition to the fabrication of paper disposable analytical devices with electrochemical detection, it was also used the colorimetric detection to quantify some of the major adulterants in cocaine seizure samples, such as procaine and phenacetin, as well as analysis and discrimination of explosive compounds (peroxy and nitro explosives) in these low cost portable platforms. All proposed methods were always developed aming at theses characteristics: ease, convenience, low cost and portability for analysis directly at the measurement site with minimal laboratory infrastructure. Finally, we presented some studies conducted during research internship abroad (University of California - San Diego (UCSD)) in the area of Wearable Sensors, which have been developed methods for micronutrient analysis in sweat (Zn) and a metabolite (Uric Acid) in saliva using sensors applied directly to the human body

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional. / The study reported in this thesis shows in details the fabrication and characterization of different electrochemical microsensors which have been employed as probes in SEPM. Thus, the characterization of surfaces can be performed by exploiting different interfacial phenomena that are relevant to life sciences. In this sense, the interfaces of crystalline materials such as hydroxyapatite (dental materials) and calcite were the focus of this study. Thus, different SEPM techniques were explored in order to obtain relevant information related to dental materials processes such as acid erosion and hypersensitivity. Initially, platinum microelectrodes were developed employing conventional methodology that utilizes microfibers encapsulated in glass capillaries. Amperometric SECM mode was used to obtain information regarding the topography changes of tooth enamel caused by contact with acid chemicals. In addition, SECM was used to study the transport of electroactive species in dentin samples. Investigations related to the treatment of dental hypersensitivity and dental whitening were also evaluated. SECM results were compared with SEM images obtained under the same experimental conditions. Ion-selective microelectrode (ISME) based on the ionophore membrane sensitive to calcium ions were also developed and characterized followed by application in SECM potentiometric mode. The acid dissolution of bovine enamel (dental erosion) was investigated at different pH values (2.5; 4.5; 6.8). In addition, the transport of calcium ions through synthetic porous membranes was evaluated at a tip/substrate distance of 300µm. Changes in calcium ion flux were studied in the presence and absence of magnetic fields generated by magnetite nanoparticles incorporated into the porous membrane. Calcite microcrystals easily synthesized by precipitation method were used as a model of an interfacial surface for investigations which can be correlated to the dental materials. Thus, glass nanopipette filled with supporting electrolyte was fabricated and used as SICM probe. The high resolution topographic mapping of the calcite microcrystal was obtained using hopping mode. Additionally, ISME-SICM multifunction probes were developed and characterized for simultaneous investigations related to the topographical changes and quantification of local calcium ions on the surface of a calcite microcrystal. The addition of acidic reagents in the SICM channel promoted the dissolution of the microcrystal surface and dissolution kinetic data were obtained. Investigations in neutral medium were also studied using the ISME-SICM multifunctional probe. The experimental results were also compared with those obtained by computer simulation.

A falta de acesso à água potável ainda é um problema de saúde pública no Brasil. O desenvolvimento de novos métodos analíticos de baixo custo para o reconhecimento de amostras contaminadas é uma necessidade, pois análises laboratoriais estão fora da realidade socioeconômica da população mais vulnerável. Visando contribuir para a resolução deste problema, esta tese apresenta esforços para o desenvolvimento de métodos de baixo custo para a análise de qualidade de águas ambientais. Foi estudada a associação de ferramentas quimiométricas com sensores voltamétricos para tentar discriminar amostras de águas contaminadas com espécies eletroativas. O modelo desenvolvido foi capaz de discriminar de forma satisfatória amostras contaminadas contendo chumbo(II), cobre(II), zinco(II) e nitrito. Os esforços para a redução do custo das análises também focaram no desenvolvimento de sensores com materiais de baixo custo. Um dos dispositivos voltamétricos propostos foi capaz de quantificar metais tóxicos e pesticidas, utilizando papel, grafite e cera. Foi desenvolvido também um sistema de agitação por som que resultou em um aumento significativo da sensibilidade dos dispositivos voltamétricos portáteis permitindo a quantificação de chumbo(II) até 48 nmol L-1, cádmio(II) até 370 nmol L-1 e zinco(II) até 340 nmol L-1. Outro sensor voltamétrico foi confeccionado utilizando apenas papelão como matéria prima, para o qual um laser de CO2 foi utilizado pela primeira vez com o intuito de pirolisar a superfície do papelão gerando estruturas de carbono condutoras. Sensores colorimétricos em papel foram testados com sucesso para a quantificação de fluoreto até 500 µmol L-1 em amostras de água mineral utilizando fotografias retiradas por um telefone celular para a construção de modelos12 de calibração. Com outro sistema colorimétrico em papel foi possível medir o pH de amostras utilizando um método de calibração multivariada. Como mostrado neste trabalho, o desenvolvimento e a integração dos dispositivos analíticos em papel é uma alternativa abrangente, confiável e de baixo custo para a análise da qualidade de águas ambientais. / The lack of access to safe water remains as a public health problem in Brazil. The development of new analytical methods for low cost contaminated samples recognition is necessary since the complete laboratorial procedures are away from the reality of the most socioeconomic vulnerable population. In order to contribute to solve this problem, this thesis shows our efforts to develop new low-cost analytical methods to evaluate environmental waters quality. The combination of chemometric tools with voltammetric sensors was studied to discriminate contaminated water samples with electroactive species. The proposed model was able to discriminate potable and contaminated samples containing lead(II), copper(II), zinc(II) and nitrite species. Efforts to reduce the analysis cost have also focused on the development of sensors using low-cost materials. A proposed voltammetric device fabricated with paper, graphite and wax was able to quantify heavy metals and pesticides. The use of a sound agitation system for the portable voltammetric devices resulted in a significant increase in the sensitivity allowing the quantification of lead(II) above 48 nmol L-1, cadmium(II) above 370 nmol L-1 e and zinc(II) above 340 nmol L-1 . Another voltammetric sensor was made for the first time using only cardboard as material and a CO2 laser to pyrolyze the cardboard surface generating conductive carbon structures. Paper colorimetric sensors were successfully tested for fluoride quantification in spring water samples based on photographs taken by a smartphone with a LOQ of 500 µmol L-1. Another paper colorimetric system was capable to measure the pH of samples using a multivariate calibration method. As shown in this thesis, the development and integration of analytical paper-based devices is a reliable and low-cost alternative for water quality analysis

A falta de acesso à água potável ainda é um problema de saúde pública no Brasil. O desenvolvimento de novos métodos analíticos de baixo custo para o reconhecimento de amostras contaminadas é uma necessidade, pois análises laboratoriais estão fora da realidade socioeconômica da população mais vulnerável. Visando contribuir para a resolução deste problema, esta tese apresenta esforços para o desenvolvimento de métodos de baixo custo para a análise de qualidade de águas ambientais. Foi estudada a associação de ferramentas quimiométricas com sensores voltamétricos para tentar discriminar amostras de águas contaminadas com espécies eletroativas. O modelo desenvolvido foi capaz de discriminar de forma satisfatória amostras contaminadas contendo chumbo(II), cobre(II), zinco(II) e nitrito. Os esforços para a redução do custo das análises também focaram no desenvolvimento de sensores com materiais de baixo custo. Um dos dispositivos voltamétricos propostos foi capaz de quantificar metais tóxicos e pesticidas, utilizando papel, grafite e cera. Foi desenvolvido também um sistema de agitação por som que resultou em um aumento significativo da sensibilidade dos dispositivos voltamétricos portáteis permitindo a quantificação de chumbo(II) até 48 nmol L-1, cádmio(II) até 370 nmol L-1 e zinco(II) até 340 nmol L-1. Outro sensor voltamétrico foi confeccionado utilizando apenas papelão como matéria prima, para o qual um laser de CO2 foi utilizado pela primeira vez com o intuito de pirolisar a superfície do papelão gerando estruturas de carbono condutoras. Sensores colorimétricos em papel foram testados com sucesso para a quantificação de fluoreto até 500 µmol L-1 em amostras de água mineral utilizando fotografias retiradas por um telefone celular para a construção de modelos12 de calibração. Com outro sistema colorimétrico em papel foi possível medir o pH de amostras utilizando um método de calibração multivariada. Como mostrado neste trabalho, o desenvolvimento e a integração dos dispositivos analíticos em papel é uma alternativa abrangente, confiável e de baixo custo para a análise da qualidade de águas ambientais. / The lack of access to safe water remains as a public health problem in Brazil. The development of new analytical methods for low cost contaminated samples recognition is necessary since the complete laboratorial procedures are away from the reality of the most socioeconomic vulnerable population. In order to contribute to solve this problem, this thesis shows our efforts to develop new low-cost analytical methods to evaluate environmental waters quality. The combination of chemometric tools with voltammetric sensors was studied to discriminate contaminated water samples with electroactive species. The proposed model was able to discriminate potable and contaminated samples containing lead(II), copper(II), zinc(II) and nitrite species. Efforts to reduce the analysis cost have also focused on the development of sensors using low-cost materials. A proposed voltammetric device fabricated with paper, graphite and wax was able to quantify heavy metals and pesticides. The use of a sound agitation system for the portable voltammetric devices resulted in a significant increase in the sensitivity allowing the quantification of lead(II) above 48 nmol L-1, cadmium(II) above 370 nmol L-1 e and zinc(II) above 340 nmol L-1 . Another voltammetric sensor was made for the first time using only cardboard as material and a CO2 laser to pyrolyze the cardboard surface generating conductive carbon structures. Paper colorimetric sensors were successfully tested for fluoride quantification in spring water samples based on photographs taken by a smartphone with a LOQ of 500 µmol L-1. Another paper colorimetric system was capable to measure the pH of samples using a multivariate calibration method. As shown in this thesis, the development and integration of analytical paper-based devices is a reliable and low-cost alternative for water quality analysis

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional. / The study reported in this thesis shows in details the fabrication and characterization of different electrochemical microsensors which have been employed as probes in SEPM. Thus, the characterization of surfaces can be performed by exploiting different interfacial phenomena that are relevant to life sciences. In this sense, the interfaces of crystalline materials such as hydroxyapatite (dental materials) and calcite were the focus of this study. Thus, different SEPM techniques were explored in order to obtain relevant information related to dental materials processes such as acid erosion and hypersensitivity. Initially, platinum microelectrodes were developed employing conventional methodology that utilizes microfibers encapsulated in glass capillaries. Amperometric SECM mode was used to obtain information regarding the topography changes of tooth enamel caused by contact with acid chemicals. In addition, SECM was used to study the transport of electroactive species in dentin samples. Investigations related to the treatment of dental hypersensitivity and dental whitening were also evaluated. SECM results were compared with SEM images obtained under the same experimental conditions. Ion-selective microelectrode (ISME) based on the ionophore membrane sensitive to calcium ions were also developed and characterized followed by application in SECM potentiometric mode. The acid dissolution of bovine enamel (dental erosion) was investigated at different pH values (2.5; 4.5; 6.8). In addition, the transport of calcium ions through synthetic porous membranes was evaluated at a tip/substrate distance of 300µm. Changes in calcium ion flux were studied in the presence and absence of magnetic fields generated by magnetite nanoparticles incorporated into the porous membrane. Calcite microcrystals easily synthesized by precipitation method were used as a model of an interfacial surface for investigations which can be correlated to the dental materials. Thus, glass nanopipette filled with supporting electrolyte was fabricated and used as SICM probe. The high resolution topographic mapping of the calcite microcrystal was obtained using hopping mode. Additionally, ISME-SICM multifunction probes were developed and characterized for simultaneous investigations related to the topographical changes and quantification of local calcium ions on the surface of a calcite microcrystal. The addition of acidic reagents in the SICM channel promoted the dissolution of the microcrystal surface and dissolution kinetic data were obtained. Investigations in neutral medium were also studied using the ISME-SICM multifunctional probe. The experimental results were also compared with those obtained by computer simulation.

Esta tese apresenta os estudos e esforços visando ao desenvolvimento de sensores químicos para aplicações diversas na área forense. Foram desenvolvidos métodos eletroanalíticos para detecção e quantificação de alguns compostos comumente encontrados na adulteração de amostras de drogas de abuso (procaína, fenacetina, aminopirina, paracetamol, levamisol), além da cocaína e estudos fundamentais sobre o comportamento eletroquímico desses compostos. Empregaram-se também métodos eletroquímicos para quantificação de compostos tóxicos e perigosos como explosivos (ácido pícrico) e melamina por exemplo. Os trabalhos utilizando sensores eletroquímicos contemplam modificações eletroquímicas das superfícies eletródicas, utilização de sensores com polímeros molecularmentes impressos (MIP) e eletrodos descartáveis em papel utilizando diferentes técnicas voltamétricas e amperométricas, eletrodo disco rotatório (EDR) e microbalança de cristal de quartzo. Além da fabricação de dispositivos analíticos descartáveis em papel empregando detecção eletroquímica utilizou-se também a detecção colorimétrica para quantificação de alguns dos principais adulterantes de amostras de apreensão de cocaína, como procaína e fenacetina, bem como análises e discriminações de compostos explosivos (peroxi e nitro compostos) nessas plataformas portáteis e de baixo custo. Os métodos foram sempre desenvolvidos visando característicos como: facilidade, praticidade, baixo custo e portabilidade para análises diretamente no local de medida com mínima infraestrutura laboratorial. Por fim, são apresentados alguns estudos realizados durante estágio de pesquisa no exterior (Universidade da Califórnia - San Diego (UCSD)) na área de Wearable Sensors, em que foram desenvolvidos métodos para análises de micronutrientes no suor (zinco) e um metabólito (ácido úrico) na saliva usando sensores aplicados diretamente no corpo humano. / This thesis shows studies and efforts to the development of chemical sensors for different applications in the forensic field. Electroanalytical methods were developed for detection and quantification of some compounds (procaine, phenacetin, aminopyrine, acetaminophen, levamisole) commonly found in the drug of abuse adulteration process and cocaine, as well as, fundamental studies about the electrochemical behavior of these compounds. It was also employed electrochemical methods for quantification of hazardous compounds such as explosives (picric acid) and melamine. Analytical methods with electrochemical sensors included electrochemical modification of electrodic surfaces, molecularly imprinted polymers (MIP), and paper disposable electrochemical devices using different voltammetric and amperometric techniques, rotating disc electrode (RDE) and quartz crystal microbalance. In addition to the fabrication of paper disposable analytical devices with electrochemical detection, it was also used the colorimetric detection to quantify some of the major adulterants in cocaine seizure samples, such as procaine and phenacetin, as well as analysis and discrimination of explosive compounds (peroxy and nitro explosives) in these low cost portable platforms. All proposed methods were always developed aming at theses characteristics: ease, convenience, low cost and portability for analysis directly at the measurement site with minimal laboratory infrastructure. Finally, we presented some studies conducted during research internship abroad (University of California - San Diego (UCSD)) in the area of Wearable Sensors, which have been developed methods for micronutrient analysis in sweat (Zn) and a metabolite (Uric Acid) in saliva using sensors applied directly to the human body