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.

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.

A presente dissertação trata da implementação, em um equipamento de eletroforese capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D), de um sistema de controle externo do fluxo eletrosmótico (EOF) via tensão radial externa (Vrad). Através do potencial externo, aplicado diretamente ao capilar, é possível ter o controle do fluxo eletrosmótico de CE, pois, de forma simplificada, esta prática acopla vetorialmente um potencial externo aplicado com o potencial através da solução tampão dentro do capilar. O emprego da técnica possibilitou o aumento de resolução de 2 aminoácidos - Leucina e Isoleucina, cujas mobilidades diferem apenas de 0,12 cm2.V-1.s-1 entre si, em ácido acético 500 mmol.L-1 com pH = 2,55. A estratégia empregada aqui foi a que denominamos de \"coluna capilar infinita\", na qual, com as sucessivas inversões na direção do EOF, conseguimos aprisionar, dentro da coluna capilar, espécies com mobilidade eletroforética menor que a mobilidade do EOF. A literatura descreve que a inversão do EOF se torna mais difícil com o aumento do pH. Foram realizados testes em eletrólitos contendo agentes inversores de fluxo como o CTAB, o CaCl2 e o BaCl2. Ambos os aditivos foram usados em concentrações muito baixas, nas quais foi mantida a direção normal do EOF, sendo que a utilizaçãode tais agentes teve a finalidade apenas de reduzir os grupos silanolatos em soluções de pH acima de 6,0. Tal estratégia proporcionou a reversão do EOF no sistema tampão MES/HIS, cujo pH estava em torno de 6,1. Por fim, a pesquisa gerou uma perspectiva interessante que é a possibilidade de se encontrar combinações de eletrólitos de corrida e surfactantes com o intuito de se estender a faixa de alcance do Vrad para valores altos de pH. / This work presents the implementation, in an equipment for capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (C4D), of a system for external control of the electroosmotic flow (EOF) via external radial voltage (Vrad). Through external potential, directly applied to the capillary, the electroosmotic flow can be controlled, because this practice couples the applied external potential to the zeta potential through the buffer solution within the capillary. The use of the technique allowed the baseline resolution of two amino acids (Leucine and Isoleucine), whose mobilities differ only by 0,12 cm2.V-1.s-1, using acetic acid 500 mmol.L-1 at pH = 2,55 as the running electrolyte. The approach, called \"infinite capillary column\", consists in successive reversals in the direction of the EOF, trapping species within the capillary column with electrophoretic mobility smaller than the EOF mobility. Thus, the two amino acids were retained by a period of approximately 120 minutes in the capillary that was enough to promote the baseline resolution. Previous works describe that the reversion of the EOF becoming more difficult as pH increases. In order to achieve a more effective control of EOF at high pH values (limiting the technique to a narrow performance band), tests were carried out in electrolytes containing flow reversing agents such as CTAB, CaCI2 and BaCI2. These additives were used at very low concentrations, which kept the normal direction of EOF, and the use of such agents had only the purpuse of reducing the density of silanolate groups in solutions of pH above 6,0. This approach allowed the reversion of the EOF using MES/HIS buffer, which pH was 6,1. Finally, this research has generated an interesting perspective about the possibility of finding combinations of electrolytes and surfactants aiming the Vrad range´s extension at high pH values.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The selective determination of inorganic cations, like alkaline, earth-alkaline, of transition and the ammonium ion (NH4 +) is considered as a difficult practice, because generally, these ions show very close apparent mobilities, by the similarities in their sizes (hydrated ionic rays) and same charges, in some cases it may make the separation not viable. This work describes the simultaneous determination of 14 analytes: ammonium (NH4 +), potassium (K+), calcium (Ca2+), sodium (Na+), magnesium (Mg2+), manganese (Mn2+), thallium (Tl+), chrome (Cr3+), lead (Pb2+), cadmium (Cd2+), zinc (Zn2+), copper (Cu2+), cobalt (Co2+) and nickel (Ni2+). The mechanism of separation used was the capillary zone electrophoresis (CZE, capillary zone electrophoresis) with capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D, capacitively coupled contactless conductivity detection) CZE-C4D. The experimental conditions optimized to the determination of cations were: working electrolyte 30 mmol L-1 MES/His, containing 1.5 mmol L-1 18-crown-6 ether, in pH 6; followed by a second stage containing 1 mmol L-1 citric acid in its composition to the selective determination of ions K+ and Tl+. Even other operational parameters with the separation potential of -10 kV, the work temperature of 25 ±1°C, hydrodynamic injection by the samples gravity (20 cm versus 60 s), and the detector C4D operating with the frequency of 600 kHz and varying the amplitude in 2 Vpp (peak to peak). The developed methodology was evaluated for the 14 analytes, where the method was shown adequate to the determination of inorganic cations studied, showing wide linear work rates of 5.18 to 2,217.06 Umol L-1 and of 19.00 to 1,538.46 Umol L-1 for ions NH4 + and Cr3+, respectively; also showing limits of detection (LD) and of quantification (LQ) in the order of Umol L-1 for all analytes. The study also involved the analysis of the alkaloids in real samples and in distinct molds, like phytotherapyc formulations and formulations of mineral fertilizers. / A determinação seletiva de cátions inorgânicos, como metais alcalinos, alcalinos terrosos, de transição e o íon amônio (NH4 +) é considerada uma prática difícil, pois geralmente estes íons apresentam mobilidades aparentes muito próximas, pela semelhança de seus tamanhos (raios iônicos hidratados) e mesmas cargas, em alguns casos, podendo inviabilizar a separação. Este trabalho descreve a determinação simultânea de 14 analitos: amônio (NH4 +), potássio (K+), cálcio (Ca2+), sódio (Na+), magnésio (Mg2+), manganês (Mn2+), tálio (Tl+), cromo (Cr3+), chumbo (Pb2+), cádmio (Cd2+), zinco (Zn2+), cobre (Cu2+), cobalto (Co2+) e níquel (Ni2+). O mecanismo de separação utilizado foi a eletroforese capilar de zona (CZE, capillary zone eletrophoresis) com detecção condutométrica sem contato capacitivamente acoplada (C4D, capacitively coupled contactless conductivity detection) CZE-C4D. As condições experimentais otimizadas para a determinação dos cátions foram: eletrólito de trabalho MES/His 30 mmol L-1, contendo éter 18-coroa-6 1,5 mmol L-1, em pH 6; seguida de uma segunda etapa contendo ácido cítrico 1 mmol L-1 na sua composição, para a determinação seletiva dos íons K+ e Tl+. Ainda outros parâmetros operacionais como o potencial de separação de -10 kV, a temperatura de trabalho de 25 ±1°C, injeção hidrodinâmica por gravidade das amostras (20 cm versus 60 s), e o detector C4D operando com frequência de 600 kHz e variando a amplitude em 2 Vpp (pico a pico). A metodologia desenvolvida foi avaliada para os 14 analitos, onde o método mostrou-se adequado para a determinação dos cátions inorgânicos estudados apresentando amplas faixas lineares de trabalho de 5,18 a 2.217,06 Umol L-1 e de 19,00 a 1.538,46 Umol L-1 para os íons NH4 + e Cr3+, respectivamente; apresentando também limites de detecção (LD) e de quantificação (LQ) na ordem de Umol L-1 para todos os analitos. O estudo também envolveu a análise desses metais em amostras reais e de matrizes distintas, como formulações fitoterápicas e formulações de fertilizantes minerais.

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The methodologies covered in this thesis include: the manufacture of low cost pencil-drawn graphite electrodes on office paper, used in the quantification of inorganic cations (K+ and Na+) in human tears; the manufacture of electrophoresis chips with thermolaminated paper channels with attached graphite electrodes for the monitoring of the electrophoretic separation of biomolecules (albumin and creatinine); and finally, it presents the use of a 3D microfluidic device for the generation of droplets into the microchannel and the manufacturing process of a thermolaminated polyester dispositive for flow injection analysis, both for the analysis of drugs (ascorbic acid and midazolam maleate) in medicines. All analyzes used the same method of capacitively coupled contactless conductivity detection. The proposed graphite electrodes presented excellent analytical performance with good reproducibility. The detection limits found for K+, Na+ and Li+ were 4.9, 6.8 and 9.0 μM, respectively. In addition, the concentration found for K+ and Na+ in the tear samples were, respectively, 20.8 and 101.2 mM for sample A and 20.4 and 111.4 mM for sample B. Experiments using the proposed paper-based microchip have successfully demonstrated the separation of bovine serum albumin and creatinine within 150 s with baseline resolution. The detection limits for albumin and creatinine were 20 and 35 mM, respectively. The quantification of ascorbic acid in a vitamin supplement, through the generation of droplets in the 3D device, was successfully demonstrated with a linear range of 3 to 24 mg/mL and a detection limit of 1.1 mg/mL. The quantification of midazolam maleate in tablets, using a flow injection in the polyester device showed a linear behavior between 0.5 and 4.0 mg/mL and a detection limit of 17 µg/mL. The devices proposed in this thesis allowed the realization of low cost assays with reduced analysis time. In addition, the manufacturing processes demonstrated simplicity and quickness, without the need for sophisticated instrumentation, allowing the use of these devices for applications in clinical analysis and quality control. / O desenvolvimento de dispositivos miniaturizados promoveu uma verdadeira revolução na química analítica moderna. Além disso, o melhoramento das tecnologias de microfabricação possibilitou a criação de dispositivos cada vez menores e mais robustos. Contudo, grande parte destes dispositivos ainda demandam em seu processo de fabricação uma instrumentação sofisticada e de alto custo, necessitando muitas vezes de ambientes controlados ou salas limpas. Tendo em vista a necessidade de se produzir esses dispositivos miniaturizados de uma maneira mais acessível, a presente tese apresenta a fabricação de plataformas e dispositivos microfluídicos alternativos, descartáveis e de baixo custo para aplicações bioanalíticas. As metodologias abordadas nessa tese incluem: a fabricação de eletrodos de grafite de baixo custo desenhados à lápis em papel sulfite, utilizados na quantificação de cátions inorgânicos (K+ e Na+) em lágrima humana; a fabricação de chips de eletroforese com canais de papel termolaminados com eletrodos de grafite de lápis acoplados para o monitoramento da separação eletroforética de biomoléculas (albumina e creatinina); e por fim, apresenta a utilização de um dispositivo microfluídico 3D para a geração de gotas no microcanal e o processo de fabricação de um dispositivo de poliéster termolaminado para análise por injeção em fluxo, ambos para análise de fármacos (ácido ascórbico e maleato de midazolam) em medicamentos. Todas as análises utilizaram o mesmo método de detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente. Os eletrodos de grafite propostos apresentaram excelente performance analítica com boa reprodutibilidade. Os limites de detecção encontrados para o K+, Na+ e Li+ foram de 4,9, 6,8 e 9,0 µM, respectivamente. Além disso, a concentração encontrada para o K+ e Na+ nas amostras de lágrima foram, respectivamente, de 20,8 e 101,2 mM para a amostra A e 20,4 e 111,4 mM para a amostra B. Os experimentos utilizando o microchip de papel proposto demonstraram com sucesso a separação de albumina de soro bovino e creatinina dentro de 150 s com resolução de linha de base. Os limites de detecção para albumina e creatinina foram 20 e 35 mM, respectivamente. A quantificação de ácido ascórbico em suplemento vitamínico, através da geração de gotas no dispositivo 3D, foi demonstrada com êxito apresentando uma faixa linear entre 3 e 24 mg/mL e limite de detecção igual a 1,1 mg/mL. A quantificação de maleato de midazolam em comprimidos, utilizando injeção em fluxo no dispositivo de poliéster apresentou comportando linear entre 0,5 e 4,0 mg/mL e limite de detecção de 17 µg/mL. Os dispositivos propostos nesta tese possibilitaram a realização de ensaios de baixo custo com tempo de análise reduzido. Além disso, os processos de fabricação demonstraram simplicidade e rapidez, sem a necessidade de instrumentação sofisticada, permitindo a exploração destes dispositivos para aplicações em análises clínicas e de controle de qualidade.

A presente dissertação trata da implementação, em um equipamento de eletroforese capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D), de um sistema de controle externo do fluxo eletrosmótico (EOF) via tensão radial externa (Vrad). Através do potencial externo, aplicado diretamente ao capilar, é possível ter o controle do fluxo eletrosmótico de CE, pois, de forma simplificada, esta prática acopla vetorialmente um potencial externo aplicado com o potencial através da solução tampão dentro do capilar. O emprego da técnica possibilitou o aumento de resolução de 2 aminoácidos - Leucina e Isoleucina, cujas mobilidades diferem apenas de 0,12 cm2.V-1.s-1 entre si, em ácido acético 500 mmol.L-1 com pH = 2,55. A estratégia empregada aqui foi a que denominamos de \"coluna capilar infinita\", na qual, com as sucessivas inversões na direção do EOF, conseguimos aprisionar, dentro da coluna capilar, espécies com mobilidade eletroforética menor que a mobilidade do EOF. A literatura descreve que a inversão do EOF se torna mais difícil com o aumento do pH. Foram realizados testes em eletrólitos contendo agentes inversores de fluxo como o CTAB, o CaCl2 e o BaCl2. Ambos os aditivos foram usados em concentrações muito baixas, nas quais foi mantida a direção normal do EOF, sendo que a utilizaçãode tais agentes teve a finalidade apenas de reduzir os grupos silanolatos em soluções de pH acima de 6,0. Tal estratégia proporcionou a reversão do EOF no sistema tampão MES/HIS, cujo pH estava em torno de 6,1. Por fim, a pesquisa gerou uma perspectiva interessante que é a possibilidade de se encontrar combinações de eletrólitos de corrida e surfactantes com o intuito de se estender a faixa de alcance do Vrad para valores altos de pH. / This work presents the implementation, in an equipment for capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (C4D), of a system for external control of the electroosmotic flow (EOF) via external radial voltage (Vrad). Through external potential, directly applied to the capillary, the electroosmotic flow can be controlled, because this practice couples the applied external potential to the zeta potential through the buffer solution within the capillary. The use of the technique allowed the baseline resolution of two amino acids (Leucine and Isoleucine), whose mobilities differ only by 0,12 cm2.V-1.s-1, using acetic acid 500 mmol.L-1 at pH = 2,55 as the running electrolyte. The approach, called \"infinite capillary column\", consists in successive reversals in the direction of the EOF, trapping species within the capillary column with electrophoretic mobility smaller than the EOF mobility. Thus, the two amino acids were retained by a period of approximately 120 minutes in the capillary that was enough to promote the baseline resolution. Previous works describe that the reversion of the EOF becoming more difficult as pH increases. In order to achieve a more effective control of EOF at high pH values (limiting the technique to a narrow performance band), tests were carried out in electrolytes containing flow reversing agents such as CTAB, CaCI2 and BaCI2. These additives were used at very low concentrations, which kept the normal direction of EOF, and the use of such agents had only the purpuse of reducing the density of silanolate groups in solutions of pH above 6,0. This approach allowed the reversion of the EOF using MES/HIS buffer, which pH was 6,1. Finally, this research has generated an interesting perspective about the possibility of finding combinations of electrolytes and surfactants aiming the Vrad range´s extension at high pH values.

A formação dos monoalquil carbonatos (MACs) em meio aquoso - produzidos pela reação de um álcool e bicarbonato foi investigada por eletroforese capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D). Foram estudadas ao todo 29 substâncias, das quais 25 apresentaram formação de adutos aniônicos monocarregados e 2 delas, adutos aniônicos com dupla carga. A eletroforese capilar proporcionou a obtenção de medidas de propriedades físico-químicas. Através do tempo de migração, foram obtidos mobilidade, coeficiente de difusão e raio iônico hidratado. Para os n-álcoois de 1 a 5 átomos de carbono, os adutos apresentaram raio iônico hidratado entre 216 pm e 310 pm. Os MACs têm raio iônico proporcional ao do álcool gerador, sendo sistematicamente maiores devidos à anexação do grupo carbonato. Quando comparado a ácidos carboxílicos de cadeia carbônica similar, os MACs possuem menor raio iônico hidratado. A obtenção dos valores da cinética de formação e hidrólise foi possível pela utilização de dupla detecção condutométrica, a qual permitia determinar a concentração do MAC em dois momentos diferentes ao longo da coluna. Devido à impossibilidade de uma calibração direta - já que os sais de MACs se decompõem em água - foi introduzida uma nova técnica de calibração que dispensa o uso de uma solução padrão do analito em favor de uma com espécie de mobilidade similar. As constantes cinética e termodinâmica foram comparadas com aquelas disponíveis na literatura, mostrando boa concordância, como no caso dos adutos para o metanol e etanol (a 25 ºC em meio aquoso), cujos valores da constante termodinâmica sugeridos pela literatura são de 3,57 e 1,80, respectivamente, enquanto que os valores calculados em nosso trabalho são de 4,2 e 2,3, a 25ºC. De forma similar ao ácido carbônico, os ácidos alquilcarbônicos (ACAs) se decompõem em meio ácido, o que dificulta a determinação da verdadeira constante de dissociação. Ainda assim, estudos em pH de 3 a 9, permitiram estimar os valores de pKa dos ácidos derivados de metanol, etanol e propanol como estando algo abaixo de 4, o que estaria em acordo com o valor de 3,6 do ácido carbônico. A formação de MACs também foi observada para dióis, como o etileno glicol e polióis, como o glicerol e manitol. Foi também possível observar, por eletroforese capilar, a formação de adutos aniônicos monovalentes para açúcares, tais como a sacarose, glicose e frutose. Por fim, a pesquisa revelou a possibilidade da formação de adutos com dupla carga - os bis(carbonatos) - para alguns dióis: o 1,4-butanodiol e o 1,6-hexanodiol. Esta é a primeira vez que estas espécies foram observadas. Estes resultados sugerem a formação de adutos aniônicos para várias outras classes de compostos, as quais possuam a hidroxila na cadeia carbônica. Embora, em meio predominantemente aquoso, estas espécies não estejam em alta concentração, trata-se de um novo conjunto de espécies a serem consideradas quando se trabalha em condições propícias. / The formation of monoalkyl carbonates (MACs) in aqueous medium - resulting from an alcohol and bicarbonate - was investigated by using capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D). Twenty nine substances were studied. The mono-charged anionic adducts were observed for 25 of them and double-charged species were observed for 2. Capillary electrophoresis allowed us to obtain some physical-chemical properties. The migration time was used to calculate the ionic mobility, coefficient of diffusion, and hydrodynamic radius. The radii ranged from 216 to 310 pm for the adducts formed from the n-alcohols of 1 to 5 carbon atoms, respectively. The MACs have radii proportional to the size of the alcohol, being systematically greater because of the attached carbonate group. When compared to carboxylic acids of similar carbonic chain, the MACs have smaller radii. The calculation of the kinetic constants was possible due to the double C4D detection, which allows quantitation of the MAC at two different moments along the capillary. Due to the decomposition of the MAC salt in water, a direct quantitation was not possible. Thus an indirect calibration approach was introduced, where the analyte is substituted by a stable species of similar mobility. Good agreement was obtained between the kinetic and thermodynamic constants obtained by this method and those ones available in literature. For instance, the methanol and ethanol adducts were 4.2 and 2.3 (at 25 ºC), respectively, while the literature\'s values are 3.57 and 1.80. Similarly to carbonic acid, the alkyl carbonic acids (ACAs) decompose in acid medium, which impairs the determination of the dissociation constant. Even so, studies from pH between 3 and 9 allowed us to estimate that the pKa values of the adducts for methanol, ethanol, and propanol are somewhat below 4, which is in agreement with the value 3.6 for the carbonic acid. MACs were also observed for diols and polyols as well as for sugars. Finally, double-charged species bis(carbonates) were formed with 1,4-butanediol and 1,6-hexanediol. This is the first time that these species are reported. Although the concentrations of these species are not high in an aqueous medium, they form a new set of substance to be considered in aqueous solution when the conditions are favorable.

Em eletroforese capilar, a reprodutibilidade depende essencialmente da manutenção do sinal e no tempo de migração das espécies. A alteração do fluxo eletrosmótico (EOF) entre corridas é um dos principais fatores que afetam esses parâmetros. Nesse trabalho, é proposto um sistema de monitoramento do EOF baseado em marcas térmicas (TMs), que consistem em sinais presentes em um eletroferograma devido a uma perturbação do eletrólito de corrida ocasionada por um breve aquecimento (da ordem de 100 ms) de uma pequena porção do capilar (aproximadamente 1 mm), sob ação do campo elétrico. O dispositivo responsável pelo aquecimento que se mostrou mais eficiente consistiu em um resistor SMD de 15 Ω sobre o qual 5 V eram aplicados para gerar aquecimento. Estudos sobre a origem das TMs sugerem que o fenômeno está relacionado às mudanças do número de transporte das espécies devido à variação de temperatura. Essas conclusões foram baseadas na comparação do perfil dos sinais de TM com valores de número de transporte, além de estudos envolvendo simulação computacional. Diversas aplicações para as marcas térmicas foram propostas: correção de variação de tempo de migração devido a alterações do EOF, medida direta do EOF e para otimização de parâmetros do detector condutométrico sem contato. As TMs revelaram-se, então, um sistema prático e de fácil implementação, que pode ser utilizado como uma espécie de padrão interno. Adicionalmente, o emprego das TMs em um novo sistema de injeção de amostra, chamado de injeção térmica, foi também proposto. A vantagem desse tipo de injeção consiste na minimização de problemas de contínua introdução de amostra no canal de separação em microchip-CE. Para realizar essa injeção, o capilar é preenchido com a amostra diluída em um eletrólito de corrida e a injeção ocorre quando uma TM é gerada. Estudos com soluções de NaCl apresentaram faixa de resposta linear entre 10 µmol L-1 e 1 mmol L-1 para sódio. Entretanto, problemas de interferência sobre a sensibilidade e a mobilidade dos analitos foram obstáculos enfrentados. Também foi alvo de estudo o emprego da injeção térmica em uma técnica de multiplexação para aumento de relação sinal/ruído, baseado em um novo algoritmo. Embora o modelamento matemático tenha sido eficiente para decodificação de sinais, não foi possível obter o aumento na relação sinal/ruído almejado, pois o tempo de análise seria excessivamente longo. No entanto, a utilização da injeção térmica nesse tipo de estratégia mostrou-se bastante adequada, pois ela requer que diversas injeções sejam realizadas sequencialmente sem a interrupção do potencial de corrida, característica que esse sistema de injeção permite. Posteriormente, a implementação de estratégias que gerassem TMs em tempos mais curtos poderiam viabilizar a técnica. Finalmente, a utilização de TMs como ferramenta para obtenção de constantes físico-químicas, como pKa e mobilidade por exemplo, utilizando a eletroforese capilar mostra-se como uma grande perspectiva para a técnica / In capillary electrophoresis, reproducibility depends essentially on the maintenance of the signal and the migration time when the analysis of the same sample is repeated. Variations in the electroosmotic flow (EOF) between runs are one of the major factors affecting these parameters. In this work, a new approach to monitor the EOF based on thermal marks (TMs) is proposed. TM consists in a signal present in the electropherogram caused by heating (typically 100 ms) a small portion of the capillary (approximately 1 mm), while the electric field is applied. The most effective device to promote the heating was a 15-Ω SMD resistor, powered at 5 V. Studies about the origin of TMs suggest that the phenomenon is related to variations in the transport number of the species due to alterations in the temperature. This conclusion was based on comparison between the TM profile and the transport numbers values, as well as results from computer simulation. The proposed applications for TM include: correction in variations of migration times with alterations on EOF, EOF measurement and optimization of the parameters of contactless conductivity detection. Additionally, a new sample injection procedure, called thermal injection, was also proposed. The advantage of this injection consists in minimization of leakage problems related to the continuous introduction of the sample in the separation channel in microchip-CE. To perform the thermal injection, the capillary is completely filled with the sample diluted in a BGE and the injection occurs with the generation of a TM. Studies with NaCl solutions presented extensive linear response range from 10 µmol L-1 to 1 mmol L-1. However, interference problems on sensibility and analytes mobilities appeared. The use of low-concentration solutions diminishes these problems. However, the analytical signal is also diminished, needing a strategy to raise the sensitivity. Thus, a multiplexing technique based on a new algorithm was also introduced in order to improve signal-to-noise ratio. Although the efficiency of the mathematic modeling on the signals decoding, the desired improvement of signal/noise ratio was not obtained, because the analysis time would be excessively high. However, the employment of the thermal injection seems to be very suitable for multiplexing, due to the possibility of performing several sequential injections with no interruption of the electric field. Afterwards, the implementation of fast velocity devices to generate TMs would enable the technique. Finally, the great perspective to applications of TM concerns in the use of TMs to obtain physical chemical constants, such as pKa and ionic mobilities. The present work describes values of ionic mobilities calculated to monopropyl carbonate, monoisopropyl carbonate, and hydronium.

A tese enfatiza o desenvolvimento e aplicação de amostradores difusionais para pré-concentração de traços de poluentes gasosos e sua conjugação com técnicas de separação e determinação, especialmente, a eletroforese capilar. Foram implementadas novas aplicações para um amostrador com múltiplos filamentos microporosos de polipropileno, previamente desenvolvido pelo grupo de pesquisa, e para o novo dispositivo de coleta de dimensões reduzidas, composto por monofilamento microporoso de polipropileno (CMDS) com volume interno de 30 µL. Para o estabelecimento da vazão estável em 1,0 µL min-1 de fase aceptora pelo capilar poroso, recorreu-se à pressurização do reservatório com uma bomba pneumática de aquário e regulagem de vazão por um capilar de sílica fundida e uma válvula de agulha. Outra bomba pneumática foi utilizada para aspirar o fluxo de ar amostrado. As amostras foram coletadas seqüencialmente em frascos de 200 µL, mantidos sob temperatura reduzida em unidade de refrigeração do tipo Peltier acoplado ao amostrador. O CMDS monofilamentar, mais compacto e robusto, apresentou alta eficiência de coleta para a pré-concentração de formaldeído (CH2O), ácidos fórmico e acético e amônia da fase gasosa da atmosfera. Para as espécies com elevada constante de Henry, água deionizada serviu como fase aceptora, enquanto que para amônia, recorreu-se ao deslocamento do equilíbrio por um aceptor ácido, de modo a reter o analito na forma de NH4 +. A concentração das espécies em fase líquida foi determinada posteriormente por eletroforese capilar com detecção condutométrica sem contato (CE-C4D). Os limites de detecção, em fase líquida, para formiato, acetato, formaldeído (determinado na forma do aduto hidroximetanosulfonato HMS) e amônio foram estimados em 1,0, 1,5, 1,2 e 1,2 µmol L-1, respectivamente (equivalentes à 0,9, 3,0, 1,0 e 0,7 µg m-3 dessas espécies na atmosfera, respectivamente). Para a determinação de CH2O por injeção em fluxo (FIA) acoplada à detecção amperométrica em eletrodo de ouro platinizado, fez-se uso do coletor multifilamentar, por atender melhor à necessidade de volume de amostra. A interferência de espécies comumente presentes na atmosfera, como H2O2 e SO2, pôde ser contornada realizando coletas em presença de peróxido de hidrogênio para promover a oxidação do S(IV) à S(VI) e, posteriormente, destruindo o oxidante em reator contendo enzima catalase imobilizada. A determinação de CH2O foi implementada com sucesso por FIA com detecção por amperometria em eletrodo de ouro platinizado. Um CMDS portátil que funciona à pilha, próprio para amostragens em campo, foi desenvolvido utilizando, para o deslocamento do ar amostrado, uma bomba de pistão retirada de aparelho automático para medida de pressão arterial. O amostrador foi empregado na coleta de H2S, SO2 e alquil-mercaptanas em fase gasosa da atmosfera, utilizando fase aceptora alcalina para promover a desprotonação e conseqüente fixação das espécies em meio líquido. Os analitos foram determinados por CE-C4D ou por microextração em fase sólida (SPME) seguida de determinação por GC. O uso conjunto do antioxidante ascorbato para conservação das amostras e de etanol para fixação dos compostos voláteis em meio aquoso permitiu o estabelecimento de um protocolo completo para coleta e detecção dessas espécies reduzidas de enxofre, com sensibilidade suficiente para monitorar emissões de origem biogênica, o que foi exemplificado na prática coletando amostras próximo a um córrego contaminado com esgoto. A perfeita combinação do diminuto volume de fase aceptora do CMDS com a demanda de nanolitros de amostra da CE-C4D culminou com o desenvolvimento de um sistema de análise total (TAS) com gerenciamento de fluidos baseado em propulsão por bombas de aquário (de baixo custo e alta durabilidade) e válvulas solenóide de estrangulamento, controladas por computador. Como exemplo de aplicação inovador e bem sucedido do TAS desenvolveu-se a análise concomitante e em tempo quase real de ácidos fórmico e acético no ar, com freqüência de 10 pares de dados por hora. As vantagens do sistema CMDS-CE-C4D incluem simplicidade, versatilidade, consumo de reagentes e amostra e geração de resíduos minimizada, robustez e rapidez enquanto uma amostra é coletada, o eletroferograma da anterior é adquirido sem necessidade de bombas de alta pressão ou colunas dispendiosas como as requeridas para HPLC / The development and application of porous membrane diffusion samplers for fast and efficient pre-concentration of an array of trace air pollutants was emphasized in this thesis, in conjunction with compatible separation and determination techniques, especially capillary electrophoresis. New applications were found for a formerly developed diffusion scrubber based on a bundle of microporous hollow polypropylene capillary membranes and for a scaled down version with a single core capillary membrane diffusion scrubber (CMDS) comprising an internal volume of 30 µL, were used for sampling of the trace level pollutants to an adequate liquid acceptor. The low-flow of acceptor solution, 1.0 µL min-1, required by the CMDS was satisfied by pressurization of the reservoir with an aquarium pump combined with flow regulation by a silica capillary as hydrodynamic resistor and a needle valve. Another aquarium pump was used for the aspiration of the sampled air through the sampler. The low volumes collected in the CMDS were stored in 200 µL vials inserted in a cooling plate of a Peltier device. The robust and compact system was used for sampling of formaldehyde (CH2O), formic acid, acetic acid and ammonia in the gaseous phase of the atmosphere. For chemical species with high Henry´s constant, deionized water suffices as acceptor phase. Otherwise, equilibria displacement to a non-volatile ion, like NH4 + for NH3 sampling, promoted quantitative retention in the acceptor phase. The concentrations of the analytes in the liquid phase were determined by capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductometric detection (CEC4D). The detection limits obtained in the liquid phase for formate, acetate, formaldehyde (in the form of the adduct hydroxymethanesulfonate HMS) and ammonium were 1,0, 1,5, 1,2 e 1,2 µmol L-1 respectively (what corresponds to 0,9, 3,0, 1,0 e 0,7 µg m-3 of the respective gaseous species in the air). The higher volume of acceptor phase provided by the sampler with a bundle of microporous membrane capillaries (~600 µL) are in tune with the needs of flow injection analysis (FIA), as demonstrated for amperometric detection of CH2O on a platinized gold electrode. The interferences from SO2 and H2O2 were overcome by adding H2O2 to the acceptor solution to promote the oxidation of S(IV) to S(VI) and destruction of the oxidant afterwards in a column with immobilized catalase enzyme. The aquarium pump used for gas aspiration was substituted to a piston pump, taken from arterial blood pressure meter fed with 8 V D.C., to turn possible field collections with the CMDS device. The system was used for the sampling of H2S, SO2 e alkyl-mercaptans in the gaseous phase of the atmosphere. To succeed on that, the samplings were performed in alkaline media to promote deprotonation of the species (and stabilization in non-volatile forms). The collected analytes were determined by CE-C4D or by solid phase microextraction (SPME) followed by GC analysis. The joint use of the antioxidant ascorbate for sample preservation and ethanol for fixation of the volatile compounds allowed the establishment of a complete protocol for sampling, storage and detection of the sulfur reduced species with enough sensitivity for monitoring biogenic emissions from waste discharge. Perfect matching of the low-volume characteristics of the CMDS device and the CE-C4D equipment led to the conception of a low-cost automatic CMDS-CE-C4D total analysis system (TAS) and its innovative and successful application to near-realtime simultaneous analysis of formic acid and acetic acid in air. During the evaluation of one sample, the TAS collects a new one, with valves, pumps and high voltage delivery under software control. Advantages include rapidity (10 data points per hour for each analyte), high preconcentration efficiency, simplicity and versatility, minimum sample and reagent consumption and residue generation (green analytical method), no need of costly high pressure pumps and separation columns like those used in HPLC

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Operational parameters such as: (i) wave frequency and amplitude applied in C4D system, (ii) electrical potential applied in injection, (iii) injection time, (iv) detection point, (v) effect of capillary conditioning as well as and (vi) recovery percentage were extensively investigated and optimized. Better separations of cationic mixture containing NH4+, K+, Na+, Ca2+ and Mg2+ were achieved using a buffer system composed of 50 mM Lactic Acid, 20 mM Histidine and 3 mM 18-crown-6 on a capillary with effective length of 14.5 cm. . Addition of internal standard was used to ensure analytical reproducibility and allow the recording of merit figures. Linear behaviors were observed in concentration ranges between 10 and 100 M for NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+, and 20-200 M for Na+. The limit of detection values calculated were 3.75 μM (NH4+), 3.70 μM (K+), 7.50 μM (Na+), 5.00 μM (Ca2+) and 5.35 μM (Mg2+). The concentration levels achieved for cations in biological samples ranged from 4,1 μM to 200 μM. Besides the hybrid system, this report also describes the development of an alternative methodology for the fabrication of high-relief masters for soft-lithography in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) substrate. One of the innovative features makes reference to the use of low cost commercial photoresist from textile industry - poly(vinyl acetate) (PVAc) - which exhibits low toxicity. PVAc films were deposited on printed cirtuitry boards through the use of a homemade spincoater developed by desktop cooler, with rotation time control. This methodology allowed the production of high relief masters and PDMS channels with width and depth of 50 μm and 40 μm, respectively. Channels and masters profiles They were characterized with the following techniques: scan electron microscopy, perfilometry, optical and electrical. PDMS electrophoresis devices were successfully used for the separation of major inorganic cations. / Esta dissertação descreve o desenvolvimento de duas plataformas alternativas para a realização de eletroforese em microssistemas. Inicialmente é descrita um sistema eletroforético híbrido que dispensa etapas de microfabricação utilizando capilares de sílica fundida, conectados por uma interface comercial com formato em cruz. Este sistema capilar híbrido foi acoplado com detecção condutométrica sem contato (C4D) e aplicado na determinação de cátions inorgânicos (NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+) em amostras biológicas. A injeção de amostras foi realizada eletrocineticamente no modo gated, sendo o primeiro estudo em capilares utilizando esta modalidade de injeção. Foram avaliados os parâmetros operacionais de funcionamento do sistema incluindo (i) frequência e amplitude da onda senoidal aplicada ao sistema de detecção, (ii) potencial elétrico aplicado na injeção, (iii) tempo de injeção, (iv) composição do tampão, (v) ponto de detecção, (vi) efeito do condicionamento do capilar e (vii) recuperação. As melhores separações para uma mistura contendo os cátions inorgânicos foram obtidas usando-se um sistema tamponante composto de ácido lático 50 mM, histidina 20 mM e éter coroa (18-crown-6) 3 mM em um capilar com comprimento efetivo de 14,5 cm. As figuras de mérito analítico foram obtidas a partir da adição do íon Li+ como padrão interno, o qual assegurou confiabilidade nas análises quantitativas. A partir da otimização dos parâmetros analíticos, as curvas analíticas para os íons NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+ exibiram comportamento linear (R2>0,99) na faixa de 10-100 M enquanto a curva analítica para o íon Na+ proporcionou resposta linear na faixa de 20-200 M. Os limites de detecção encontrados para os cinco cátions foram entre 3,75 μM (NH4+), 3,75 μM (K+), 7,50 μM (Na+), 5,00 μM (Ca2+) e 5,35 μM (Mg2+). O sistema desenvolvido foi explorado para a determinação dos cátions inorgânicos em amostras de urina, saliva e lágrimas. As concentrações encontradas nas amostras biológicas variaram de 4,1 μM a 200 μM. Além do sistema híbrido, a dissertação também apresenta uma metodologia de baixo custo para produção de moldes em alto relevo para litografia suave em poli(dimetilsiloxano) (PDMS). A principal inovação é o uso de fotoresiste de baixo custo, que se trata de uma emulsão fotossensível de poli(acetato de vinila) (PVAc) utilizada na indústria têxtil e que apresenta baixa toxicidade. Outra inovação é o controle da altura dos moldes utilizando um spincoater de produção própria, com controle de tempo de rotação. Com esta metodologia foram produzidos moldes em alto relevo, e microchips em PDMS com 50 μm de largura e 40 μm de altura. Foram realizadas separações eletroforéticas dos cátions NH4+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+e Li+. As eficiências de separação variaram entre 73.000 e 120.000 pratos/m. O que comprova que a metodologia alternativa apresenta aplicabilidade microfluídica