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

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.

A presente tese descreve o aprimoramento do acoplamento de eletroforese capilar/espectrometria de massas com ionização por electrospray (CE-ESI-MS) (1) pelo desenvolvimento de estratégias de controle de temperatura e posicionamento e (2) pela inclusão de dois detectores condutométricos sem contato (C4Ds) ao capilar de separação eletroforética de modo a se obter informações complementares àquelas fornecidas pelo MS. Os primeiros aprimoramentos consistiram na introdução de uma plataforma móvel para o CE e um módulo de refrigeração da porção externa do capilar. Com estes aprimoramentos, foi possível realizar estudo de cinética de hidrólise de monoetilcarbonato (MEC) por CE-ESI-MS, obtendo-se, pela primeira vez, o valor da energia de ativação de 99 ± 8 kJ mol-1. Posteriormente, foi desenvolvida uma série de protótipos de cartuchos impressos 3D em ABS, permitindo a introdução de até dois C4Ds. Além da inclusão dos detectores, a versão aprimorada do cartucho permitiu um bom comportamento térmico da coluna, permitindo que, tal como em sistemas CE-DAD, correntes eletroforéticas alcancem valores da ordem de 100 µA sem efeitos térmicos indesejados (o que não ocorre ao se utilizar o cartucho original para CE-MS). As possibilidades do arranjo CE-(C4D)2-ESI-MS foram demonstradas pelo desenvolvimento de métodos analíticos de separação para: (1) açúcares a pH 11,2; (2) aminas biogênicas a pH 2,0 e (3) ácidos carboxílicos a pH 7,5. A compatibilização dos eletroferogramas dos C4Ds ao longo do capilar e do ESI-MS no final do capilar foi conseguida pela correção da escala de tempo. Assim, as informações obtidas com os vários detectores podiam ser facilmente complementadas. Devido à baixa seletividade intrínseca do C4D, este se mostra amplamente complementar ao ESI-MS, que é o sistema mais seletivo para CE disponível na atualidade. Embora este último também seja altamente sensível, o C4D se mostrou comparável ou até mais apropriado em alguns casos. Assim, esta combinação única apresenta um grande potencial como ferramenta analítica. / The capillary electrophoresis/mass spectrometry with electrospray source (CE-ESI-MS) was improved by (1) the development of new temperature control and positioning systems and (2) the inclusion of two capacitively coupled contactless conductivity detectors (C4Ds) to the electrophoretic separation capillary allowing to obtain complimentary information to the MS. The initial improvements were the introduction of a sliding platform for the CE equipment and a thermostatic module for the portion of the capillary outside the CE environment. These improvements allowed obtaining, for the first time, the activation energy of hydrolysis reaction of monoethyl carbonate: 99 ± 8 kJ mol-1. However, the most important improvement was the development of 3D-printed cartridge allowing the inclusion of up to two C4Ds along the capillary. This cartridge also allowed a significant improvement of the thermal control over the capillary. No significant difference of the original CE-DAD was observed for electrophoretic currents up to 100 µA. The original CE-MS has similar behavior only until 60 µA. New possibilities of the CE-(C4D)2-ESI-MS setup were demonstrated by the development of analytical methods for separation of: (1) sugars at pH 11.2, (2) biogenic amines at pH 2.0, and (3) carboxylic acids at pH 7.5. The electropherograms of the three detectors were made compatible by correcting the time scales. Therefore, the information obtained from the three detectors may be easily complemented. Thanks to the intrinsic low-selectivity of the C4D, that is complementary to the MS, which is the most selective detector for CE today. Although MS is also highly sensitive, C4D had similar or even better performance in some cases. Therefore, this unique combination is powerful analytical tool

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 tese descreve o aprimoramento do acoplamento de eletroforese capilar/espectrometria de massas com ionização por electrospray (CE-ESI-MS) (1) pelo desenvolvimento de estratégias de controle de temperatura e posicionamento e (2) pela inclusão de dois detectores condutométricos sem contato (C4Ds) ao capilar de separação eletroforética de modo a se obter informações complementares àquelas fornecidas pelo MS. Os primeiros aprimoramentos consistiram na introdução de uma plataforma móvel para o CE e um módulo de refrigeração da porção externa do capilar. Com estes aprimoramentos, foi possível realizar estudo de cinética de hidrólise de monoetilcarbonato (MEC) por CE-ESI-MS, obtendo-se, pela primeira vez, o valor da energia de ativação de 99 ± 8 kJ mol-1. Posteriormente, foi desenvolvida uma série de protótipos de cartuchos impressos 3D em ABS, permitindo a introdução de até dois C4Ds. Além da inclusão dos detectores, a versão aprimorada do cartucho permitiu um bom comportamento térmico da coluna, permitindo que, tal como em sistemas CE-DAD, correntes eletroforéticas alcancem valores da ordem de 100 µA sem efeitos térmicos indesejados (o que não ocorre ao se utilizar o cartucho original para CE-MS). As possibilidades do arranjo CE-(C4D)2-ESI-MS foram demonstradas pelo desenvolvimento de métodos analíticos de separação para: (1) açúcares a pH 11,2; (2) aminas biogênicas a pH 2,0 e (3) ácidos carboxílicos a pH 7,5. A compatibilização dos eletroferogramas dos C4Ds ao longo do capilar e do ESI-MS no final do capilar foi conseguida pela correção da escala de tempo. Assim, as informações obtidas com os vários detectores podiam ser facilmente complementadas. Devido à baixa seletividade intrínseca do C4D, este se mostra amplamente complementar ao ESI-MS, que é o sistema mais seletivo para CE disponível na atualidade. Embora este último também seja altamente sensível, o C4D se mostrou comparável ou até mais apropriado em alguns casos. Assim, esta combinação única apresenta um grande potencial como ferramenta analítica. / The capillary electrophoresis/mass spectrometry with electrospray source (CE-ESI-MS) was improved by (1) the development of new temperature control and positioning systems and (2) the inclusion of two capacitively coupled contactless conductivity detectors (C4Ds) to the electrophoretic separation capillary allowing to obtain complimentary information to the MS. The initial improvements were the introduction of a sliding platform for the CE equipment and a thermostatic module for the portion of the capillary outside the CE environment. These improvements allowed obtaining, for the first time, the activation energy of hydrolysis reaction of monoethyl carbonate: 99 ± 8 kJ mol-1. However, the most important improvement was the development of 3D-printed cartridge allowing the inclusion of up to two C4Ds along the capillary. This cartridge also allowed a significant improvement of the thermal control over the capillary. No significant difference of the original CE-DAD was observed for electrophoretic currents up to 100 µA. The original CE-MS has similar behavior only until 60 µA. New possibilities of the CE-(C4D)2-ESI-MS setup were demonstrated by the development of analytical methods for separation of: (1) sugars at pH 11.2, (2) biogenic amines at pH 2.0, and (3) carboxylic acids at pH 7.5. The electropherograms of the three detectors were made compatible by correcting the time scales. Therefore, the information obtained from the three detectors may be easily complemented. Thanks to the intrinsic low-selectivity of the C4D, that is complementary to the MS, which is the most selective detector for CE today. Although MS is also highly sensitive, C4D had similar or even better performance in some cases. Therefore, this unique combination is powerful analytical tool

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.