Este trabalho descreve os resultados do estudo de materiais como óxido de manganês, nanotubos de carbono e feltro de carbono (puro e recoberto com nanotubos ou polianilina-Pani), assim como do desenvolvimento de dispositivos. Os dispositivos estudados estão relacionados a sensores de pH, utilizando esses materiais como membranas seletivas de H+ . Essas membranas funcionam como parte de dispositivos denominados EGFETs, cujo princípio de funcionamento é semelhante ao ISFET. Inicialmente utilizamos o óxido de manganês produzido através do método hidrotérmico com posterior fabricação de filmes finos desse material através da técnica de spray-pyrolysis. Esses filmes foram depositados variando a temperatura de deposição, a concentração da solução e o tipo de superfície do substrato de vidro, com o objetivo de investigar a resposta elétrica do EGFET em função da concentração de íons de H+ . As melhores sensibilidades foram de 50,1 mV/pH e 75 mV/pH no filmes produzidos no substrato de vidro rugoso e vidro liso, respectivamente, com 2g/l de concentração e temperatura de 80o C em ambos os filmes. Num segundo momento, trabalhamos com a produção de nanotubos de carbono e posterior fabricação de filmes finos também pela técnica de spray-pyrolysis, tendo como parâmetros, os mesmos utilizados na primeira parte. Os filmes finos que melhor responderam foram aqueles produzidos a 80o C no vidro rugoso e 100o C no vidro liso, com sensibilidades de 51,6 mV/pH e 53,1 mV/pH, respectivamente, ambos com 3g/l de concentração. Finalmente, utilizamos os feltros de carbono (FC) como membrana seletiva e também como substrato para os nanotubos de carbono (NTC) e a polianilina (Pani). Como membrana, os feltros tiveram uma sensibilidade de 65,47 mV/pH. NTC purificados e não purificados foram também depositados utilizando FC como substrato. NTC não purificados apresentaram pior resposta, enquanto que a parte que foi purificada teve um ligeiro aumento na sensibilidade, sendo de 67,7 mV/pH. Houve ainda o recobrimento dos FC e dos FC/NTC com a Pani. As membranas que contém Pani, são mais estáveis do que as outras amostras, sendo que a Pani no estado deprotonado tem melhor sensibilidade e estabilidade do a Pani no estado protonado. A melhor sensibilidade obtida com a participação da Pani foi de 46,4 mV/pH, que mesmo assim não supera a das demais amostras. Esses materiais se mostram como potenciais para uso de sensores de pH e posteriormente para uso como biossensores. / This work presents the results related to the study of materials such as manganese oxide, carbon nanotubes and carbon felt (pure and with deposition of nanotubes and polyaniline-Pani). The development of devices related to pH sensors is also presented. The materials are used as H+ selective membranes in sensors based on the EGFET configuration, almost similar to the ISFET. We produced manganese oxide by the hydrothermal method with subsequent deposition of thin films using spray pyrolysis. We varied the deposition temperature, concentration of solution and glass substrates surface with the aim of studying the electrical response of the EGFET as a function of the concentration of H+ ions. The best sensitivities were 50.1 mV/pH and 75 mV/pH for films grown on rough and flat substrates, respectively, with a concentration of 2g/l and substrate temperature of 80o C for both films. In the sequence, carbon nanotubes were investigated with the production of thin films also using the spray pyrolysis technique with the same deposition parameters. Films produced at 80o C on rough substrates and at 100o C on flat substrates presented sensitivities of 51.6 mV/pH and 53.1 mV/pH, respectively. Both were produced with a concentration of 3g/l. Finally, carbon felts (FC) were used as selective membranes and also as substrates for the deposition of NTC and Pani. As single membrane FC presented a sensitivity of 65.47 mV/pH. Purified and non-purified NTC were deposited on FC. Non-purified NTC presented the worst response, while purified NTC presented an increase in sensitivity to about 67.7 mV/pH. Pani was then deposited over FC and FC/NTC. Membranes that contain Pani were more stable than other samples. Pani was used either protonated or deprotonated. Deprotonated samples presented a better response. The best response with Pani was about 46.4 mV/pH, which is not as good as the one corresponding to other samples. These materials are promising candidates for a future use as H+ sensors, and also as biosensors.

A área de sensores é uma das mais importantes do mundo tecnológico e científico moderno. O monitoramento contínuo de processos através de variáveis de diversas naturezas está presente em áreas como indústria, agricultura, biologia, meio ambiente, e centros de pesquisa. Os sensores químicos de pH fazem parte deste conjunto por analisar um dos parâmetros mais importantes em muitas áreas. Neste trabalho, o uso de filmes finos de polianilina (PANI) eletrodepositada em sensores de pH foi estudado. Duas configurações do sensor EGFET (Extended Gate Field-Effect Transistor) foram estudadas: o sensor Single-EGFET (S-EGFET) e o sensor Instrumental Amplifier-EGFET (IA-EGFET). Os filmes foram analisados nos dois sistemas e a sensibilidade e linearidade de cada sensor, comparada. Valores iniciais de sensibilidade no sensor IA-EGFET foram reduzidas devido a protonação interna do polímero quando medidos no sensor S-EGFET. Observamos uma relação entre quantidade de material polimérico depositado e o grau de alteração dos parâmetros. Os filmes de PANI foram estudados em sensores IA-EGFET como passo inicial para aplica-los em sensores diferencias, Diferencial-IA-EGFET (D-IA-EGFET). Desenvolveu-se o sensor diferencial por esse apresentar a vantagem de ser insensível a ruído (temperatura, tempo, sistema eletrônico, concentração, etc.) sobre o sensor simples. Para este sensor temos um filme principal com alta sensibilidade ao íon de interesse, um filme de contraste com baixa sensibilidade aos íons de interesse e igual sensibilidade às fontes indesejáveis. Esses pares de filmes foram compostos por PANI, protonada e não protonada, óxido de estanho dopado com flúor e dióxido de titânio. Medidas diferenciais em função de temperatura, concentração da solução de estudo e tempo mostraram que um mecanismo de sensibilidade a íons e propriedades elétricas similares dos filmes gera um sensor diferencial bom e estável. A PANI é um material poli-eletrocrômico, isto é, seu estado de oxidação altera sua coloração. Utilizando filmes finos de PANI, que sofrem reações de protonação e desprotonação em contato com soluções ácidas e básicas, obtivemos um sensor ótico analisando os espectros de reflexão das amostras. Uma resposta aprimorada por polarização elétrica das amostras mostrou aumento da sensibilidade e diminuição da linearidade do sensor em função da variação da polarização, fazendo necessária a obtenção de um ponto ótimo de trabalho. / The study of sensors is one of the most important in the technological and scientific modern world. Continuous monitoring of processes, using variables of different types, is present in such areas as industry, agriculture, biology, environment, and research centers. Chemical pH sensors are part of this group due to its capability to analyze important parameter in many fields. In this MS we investigated the use of electrodeposited polyaniline (PANI) thin films as pH sensors. Two configurations of the EGFET (Extended Gate Field-Effect Transistor) sensor were studied: the Single-EGFET (S-EGFET) and the Instrumental Amplifier-EGFET (IA-EGFET). The films were analyzed in both systems and the sensitivity and linearity of each sensor were compared. Initial sensitivities measured in the IA-EGFET were reduced due to polymer bulk protonation after sequential measurement in the S-EGFET system. A relationship between the amount of deposited polymer and the degree of sensitivity change was observed. The films of PANI were studied in IA-EGFET sensors prior to its application in differential mode sensors, the Differential-IA-EGFET (D-IA-EGFET). The differential mode of operation was developed due to its advantage of being insensitivity to noise (temperature, electronic, time and buffer concentration variations) over the single one. The sensor has a principal film possessing high sensitivity to the target ion and a contrast film with a low sensitivity to the target ion, and both with the same sensitivity to the noise sources. These films were made of PANI, protonated and non-protonated, fluorine tin oxide, and titanium dioxide. Differential measurements as function of temperature, buffer concentration and time showed that similarity in ion-sensing mechanisms and electrical properties of the single films is necessary for the fabrication of good and stable differential sensors. PANI is a polyelectrochromic material, in other words, its oxidation state changes its color. Thin films of PANI (which can be protonated or deprotonated in contact to acid or basic solutions) were used in optical sensors by means of its reflective spectra. A bias-enhanced reflective response increased the films sensitivity and decreases its linearity, inducing the determination of an optimized working point.

Ao longo dos anos a medicina vem se desenvolvendo rapidamente e junto com ela desenvolvem-se os métodos e processos de diagnósticos. Estes métodos ficam mais rápidos, precisos e cada vez menos invasivos graças ao desenvolvimento de dispositivos diagnósticos a cada dia menores e que produzam respostas confiáveis. Os biossensores são, sem dúvida, os grandes responsáveis pela miniaturização, barateamento e rapidez de diversos métodos diagnósticos e procedimentos clínicos utilizados diariamente. Dentre os diferentes tipos de biossensores existentes, destacamos os biossensores embasados em transistores de efeito de campo (FETs), mais precisamente os biossensores a base de transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET). Analisamos nesse trabalho os procedimentos de medida utilizando filmes finos de óxido de estanho dopados com flúor (FTO) como membrana sensível a íons H+ acoplados à porta de um EGFET, que podem servir de base para a construção de um biossensor no futuro. Já existem artigos na literatura atual que fazem uso de FTO como membrana sensível a íons H+ e OH-. Entretanto, nenhum dos artigos disponíveis faz um bom controle de alguns parâmetros, em alguns casos relativamente simples, ou se fazem não deixam claro de que maneira estão controlando esses parâmetros. Tais parâmetros são de fundamental importância na resposta final dos sensores uma vez que eles interferem significativamente no sinal dos mesmos. Mostramos no presente trabalho que parâmetros como a luz, a sequência em que os pHs são medidos pela amostra, o procedimento de limpeza das amostras e até as características morfológicas das amostras são importantes no processo de adsorção e retirada de íons da superfície da membrana. Mostramos também que cada amostra necessita uma rotina diferente quanto à sequência de medidas e até mesmo procedimentos de limpeza para que seu rendimento seja máximo, e como diferentes amostras evoluem ao longo do tempo. Como solução aos problemas citados, descrevemos o uso correto de duas amostras que apresentaram reprodutibilidade em seus dados e invariância entre os resultados coletados por diferentes sequências de medidas. Por fim, deixamos uma proposta sobre a dinâmica que ocorre durante os processos de adsorção e retirada de íons H+ e OH- na superfície dos filmes. Com base em nossa proposta fizemos cálculos teóricos estimados da quantidade de cargas que são adsorvidas na superfície do filme para as diferentes situações encontradas durante os experimentos. / Over the years the medicine has been developing rapidly and along with it develop methods and diagnostic procedures. These methods become faster, more accurate and less invasive thanks to the development of diagnostic devices each day minors and producing reliable answers. The biosensors are undoubtedly the major responsible for miniaturization, cheaper and rapidity of various diagnostic methods and clinical procedures used every day. Among the different types of existing biosensors, we highlight the biosensors grounded in field effect transistors (FETs), more precisely the biosensor based in extended gate field effect transistor (EGFET). We analyzed on this work measurement procedures using tin oxide thin films doped with fluorine (or fluorine tin oxide FTO) as sensitive the membrane to H+ ions bounded to the gate of an EGFET, which can serve as a basis for building a biosensor in the future. Articles has already been written reporting the use of the FTO as sensitive membrane to ion H+ and OH-. However, none article available makes a good control of some parameters, in some cases relatively simple, or if they do not make it clear the way they are controlling these parameters. These parameters are of crucial importance in the final response of the sensors since they interfere significantly in signal of the sensors. So, we shown in this work, which parameters as light, the sequence in which the pHs are measured by the sample, the cleaning procedure of samples and even the morphological characteristics of the samples are important in the process of adsorption and ion withdrawal of membrane surface. We shown also that each sample requires a different routine on the following measures and even cleaning procedures for your maximum income is, and how different samples evolve over time. As a solution to the problems cited, we describe the correct use of two samples that showed reproducibility in your data and invariance between the results collected by different sequences of measures. Finally, we leave a proposal on the dynamics that occurs during adsorption processes and withdrawal ion H+ and OH- on the surface of the films. Based on our proposal did theoretical calculations estimated quantity of loads that are adsorb on the surface of the film for the different situations encountered during experiments.

O transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET) é um dispositivo composto por uma membrana sensível a íons e um MOSFET comercial, que pode ser aplicado para a medição do teor de íons em uma solução. O filme fino de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) foi utilizado como a membrana seletiva do EGFET, e todo o sistema foi utilizado como sensor de pH. Os sensores de pH desenvolvidos a partir de transistores de efeito de campo (FETs) detectam o campo elétrico criado pelos íons da solução. A alteração do pH no organismo afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas, por isso a detecção da alteração do pH no organismo é de grande importância. O objetivo deste trabalho foi o estudo da influência de alguns agentes externos sobre o FTO para ser utilizado como membrana sensível a íons do EGFET como sensor de pH. O sensor padrão apresentou uma resposta linear no escuro por volta de 37 mV/pH, para uma área de membrana de 230 mm2 . Foram estudados o efeito da evolução da medida no tempo, o efeito da iluminação, o efeito da alteração da área de contato do filme fino de FTO com a solução de pH e o efeito da alteração da temperatura da solução de pH. Para as medições feitas no escuro a dependência do tempo foi diferente das medições feitas na presença de luz UV-VIS. Para pHs ácidos a presença da luz faz com que o valor da corrente Ids diminua em relação a mesma medição no escuro enquanto que para pHs básicos, o valor da corrente aumenta. A sensibilidade na presença da luz altera em torno de 10%. Para o estudo do efeito da área foram utilizadas duas formas diferentes de medições, sendo a primeira forma utilizando diferentes áreas da mesma amostra e a segunda forma utilizando áreas diferentes para diferentes amostras. O aumento da temperatura da solução aumenta o valor da corrente do sensor em até 5% e aumenta a sensibilidade em 60%. / The extended gate field effect transistor (EGFET) is a device composed of a conventional ion sensitive electrode and a commercial MOSFET device, which can be applied for the measurement of ion content in a solution. The fluorine-doped tin oxide thin film (FTO) is used as a sensitive membrane of the EGFET, and the whole system was used as a pH sensor. The pH sensor developed from field effect transistors (FTO) detect the electric field created by the ions of the solution. Changing the pH in the body affects the structure and activity of biological macromolecules, and the detection of pH change in the body is of great importance. The aim of this paper was study the influence of some external agents in the FTO for used as ion sensitive membrane EGFET as pH sensor. The standard sensor presented a linear response in the dark about 37 mV/pH, for a membrane area of 230 mm2 . Was studied the effect of the evolution of the measure in time, the illumination effect, the effect of changing the contact area of the FTO thin film with the solution pH and the effect of changing the temperature of the pH solution. For measurements in the dark the time dependence is different than for the case under UV-VIS illumination. For acids solutions the light presence causes a current value decreases over the same measurement in the dark, whereas for basic solution the current values increases. The sensitivity in light presence changes around 10%. To study the area effect two different studies was applied. The first measure was using different areas of the same sample and the second measure was using different areas of different samples. Increasing the solution temperature the current value of the sensor also increases and the sensitivity increase about 60%.

Com a evolução tecnológica há nos dias de hoje um aumento de dispositivos eletrônicos presentes ao nosso redor. Com o passar dos anos diversas funcionalidades vêm sendo agregadas a estes inclusive com maior poder de processamento. Em particular, para sistemas embarcados houve um crescimento da quantidade de sensores para diversos propósitos. Seguindo esta tendência, na área de saúde também houve um aumento significativo de aparelhos e dispositivos de monitoramento, tais como glicosimetros, oxímetros, monitoramento de pressão e batimento cardíaco por exemplo, que através de sensores realizam transdução dos dados pertinentes ao parâmetro envolvido. Este trabalho apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema embarcado com a propriedade de multiplexação de sensores, ou seja, foi desenvolvido um dispositivo microcontrolado o qual visa multiplicar a capacidade de monitoramento de analitos, conseguindo analisar múltiplos sensores para um mesmo experimento. Ao decorrer deste desenvolvimento foram utilizados quatro sensores dispostos simetricamente em um béquer, os dados são coletados e tratados de forma sequencial e individual. Inicialmente utilizamos um sistema embarcado com um microcontrolador (PIC 18F2550) que é responsável por digitalizar a informação e pela conexão via terminal USB. Posteriormente um microprocessador (Raspberry Pi Zero, placa embarcada) fez-se necessário devido ao melhor processamento de dados. Os sensores aqui estudados tratam-se de sensores químicos, que são introduzidos a uma célula eletroquímica, onde se encontram um eletrodo de referência (Prata em uma solução de Cloreto de Prata) e os outros quatro filmes finos que irão compor o sistema multiplexado. Para este estudo em específico o material escolhido para fabricação dos filmes finos foi um polímero condutivo, mais especificamente polianilina (PANI). Esta foi depositada sobre um substrato de oxido de estanho dopado com flúor (FTO) através da eletrodeposição. Para sensores não específicos (não imobilizados para um analito alvo) os dois sistemas embarcados apresentaram respostas satisfatórias. Prosseguindo com o estudo e usando filmes finos para analitos biológicos (ureia e glicose) o microcontrolador não conseguiu separar os sinais de cada filme fino. Apenas o sistema com a Raspberry Pi obteve sucesso, devido a maior resolução no conversor analógico para digital e sua maior capacidade de processamento para determinar com uma maior precisão os valores obtidos. O sistema pode ser facilmente expandido para um maior número de sensores. / With the evolution of technology there is nowadays an increase in the number of electronic devices present around us. Over the years various functionalities have been added to these devices including the increased processing power. In particular, for embedded systems there has been an increase in the number of sensors for various purposes. Following this trend, in the area of health, there has also been a significant increase in systems and monitoring devices, such as glycosimeters, oximeters, pressure monitoring and heart rate, for example, which, through sensors, transduce data pertinent to the parameter involved. This work presents the research and development of an embedded system with the property of multiplexing sensors, that is, a microcontrolled device was developed which aims to multiply the capacity of analytes monitoring, being able to analyze multiple sensors for the same experiment. During this development four sensors were used symmetrically arranged in a beaker, the data were collected and treated sequentially and individually. Initially we used an embedded system with a microcontroller (PIC 18F2550) that is responsible for scanning the information and for the connection via USB terminal. Subsequently a microprocessor (Raspberry Pi Zero, embedded board) was made necessary due to the better processing of data. The sensors studied here are chemical sensors, which are introduced to an electrochemical cell, where a reference electrode is found (Silver in a Silver Chloride solution) and the other four thin films that will make up the multiplexed system. For this specific study the material chosen for the manufacture of thin films was a conductive polymer, more specifically polyaniline (PANI). This was deposited on a substrate of fluorine-doped tin oxide (FTO) by electrodeposition. For non-specific sensors (not immobilized for a target analyte) the two embedded systems presented satisfactory responses. Proceeding with the study and using thin films for biological analytes (urea and glucose) the microcontroller failed to separate the signals from each thin film. Only the system with Raspberry Pi has been successful, due to the higher resolution in the analog to digital converter and its greater processing capacity to determine with greater precision the obtained values. The system can be easily expanded to a larger number of sensors.

Sensores são dispositivos capazes de captar um determinado sinal físico -químico do meio e converte-lo num sinal elétrico mensurável por meio de um transdutor. Biossensor é um sensor que tem como parte funcional um receptor biológico específico a determinado analito alvo. Os sinais físico-químicos experimentados por estes dispositivos são convertidos em sinais elétricos de magnitude proporcional à concentração de um ou mais compostos químicos. Neste trabalho, foi construído um sensor de pH utilizando filmes finos comerciais de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) como receptor a íons. O sensor foi feito ligando-se amostras de FTO ao terminal de porta de um transistor de efeito de campo do tipo MOS (Metal Oxide Semiconductor). Quando colocado em solução, os íons presentes interagem com a amostra sendo adsorvidos na superfície do filme de FTO. O potencial gerado pelos íons adsorvidos modulam a tensão na porta do transistor e, desta maneira, pode -se determinar a concentração dos íons presentes na solução de acordo com a magnitude da resposta do transistor. A este tipo de dispositivo dá -se o nome de EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). O EGFET construído apresentou responsividade de 55 mV/pH e resposta linear em soluções de pH 2 ao 12. Através de técnicas de imobilização enzimática foi possível ligar covalentemente proteínas urease sobre a superfície dos filmes de FTO, convertendo o sensor de pH em biossensor de ureia. Soluções tampão com diferentes pHs e concentrações foram testadas e determinou -se que as condições ideais para o uso deste biossensor de ureia são soluções tampão com pH = 6 e concentração de 10mM. Nessas condições, o biossensor apresentou uma responsividade de 114,5 mV/p(ureia) e linearidade no intervalo de concentrações de ureia entre 3,2.10 -4 e 3,2.10 -2 mol/L. / Sensors are devices capable of capturing a certain physical-chemical signal from environment and convert it into a measurable electrical signal by a transducer. Biosensor is a sensor which has a biological sensing element as receptor specific to a particular target analyte. The physical-chemical signals experienced by these devices are converted into electrical signals with magnitude proportional to the concentration of one or more chemical compounds. In this work, we built a pH-sensor using commercial thin films of tin oxide doped with fluorine (FTO) as ions receptor. The sensor was made by linking FTO samples to the gate of a field effect transistor MOS type. In solution, the ions interact with the sample being adsorbed on the surface of FTO film. The potential generated by the ions adsorbed on film\'s surface modulate the gate voltage of the transistor and, in this way, we can determine the concentration of ions present in solution correlated with the magnitude of the transistor response. This kind of device is given the name of EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). The EGFET built exhibits sensitivity of 55 mV/pH and linear response in the range of pH 2 to 12. Through enzyme immobilization techniques we could covalently bind urease proteins on the surface of FTO film, changing the pH-sensor in urea biosensor. Buffer solutions with differents pHs and concentrations were tested and was determined that optimal environment conditions for this urea biosensor is buffer solutions with pH = 6 and 10mM of concentration. Under these conditions, the biosensor showed sensitivity of 114.5 mV/p(urea) and linear response in the range of 3,2.10 -4 to 3,2.10 -2 mol/L

O transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET) é um dispositivo composto por uma membrana sensível a íons e um MOSFET comercial, que pode ser aplicado para a medição do teor de íons em uma solução. O filme fino de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) foi utilizado como a membrana seletiva do EGFET, e todo o sistema foi utilizado como sensor de pH. Os sensores de pH desenvolvidos a partir de transistores de efeito de campo (FETs) detectam o campo elétrico criado pelos íons da solução. A alteração do pH no organismo afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas, por isso a detecção da alteração do pH no organismo é de grande importância. O objetivo deste trabalho foi o estudo da influência de alguns agentes externos sobre o FTO para ser utilizado como membrana sensível a íons do EGFET como sensor de pH. O sensor padrão apresentou uma resposta linear no escuro por volta de 37 mV/pH, para uma área de membrana de 230 mm2 . Foram estudados o efeito da evolução da medida no tempo, o efeito da iluminação, o efeito da alteração da área de contato do filme fino de FTO com a solução de pH e o efeito da alteração da temperatura da solução de pH. Para as medições feitas no escuro a dependência do tempo foi diferente das medições feitas na presença de luz UV-VIS. Para pHs ácidos a presença da luz faz com que o valor da corrente Ids diminua em relação a mesma medição no escuro enquanto que para pHs básicos, o valor da corrente aumenta. A sensibilidade na presença da luz altera em torno de 10%. Para o estudo do efeito da área foram utilizadas duas formas diferentes de medições, sendo a primeira forma utilizando diferentes áreas da mesma amostra e a segunda forma utilizando áreas diferentes para diferentes amostras. O aumento da temperatura da solução aumenta o valor da corrente do sensor em até 5% e aumenta a sensibilidade em 60%. / The extended gate field effect transistor (EGFET) is a device composed of a conventional ion sensitive electrode and a commercial MOSFET device, which can be applied for the measurement of ion content in a solution. The fluorine-doped tin oxide thin film (FTO) is used as a sensitive membrane of the EGFET, and the whole system was used as a pH sensor. The pH sensor developed from field effect transistors (FTO) detect the electric field created by the ions of the solution. Changing the pH in the body affects the structure and activity of biological macromolecules, and the detection of pH change in the body is of great importance. The aim of this paper was study the influence of some external agents in the FTO for used as ion sensitive membrane EGFET as pH sensor. The standard sensor presented a linear response in the dark about 37 mV/pH, for a membrane area of 230 mm2 . Was studied the effect of the evolution of the measure in time, the illumination effect, the effect of changing the contact area of the FTO thin film with the solution pH and the effect of changing the temperature of the pH solution. For measurements in the dark the time dependence is different than for the case under UV-VIS illumination. For acids solutions the light presence causes a current value decreases over the same measurement in the dark, whereas for basic solution the current values increases. The sensitivity in light presence changes around 10%. To study the area effect two different studies was applied. The first measure was using different areas of the same sample and the second measure was using different areas of different samples. Increasing the solution temperature the current value of the sensor also increases and the sensitivity increase about 60%.

Com a evolução tecnológica há nos dias de hoje um aumento de dispositivos eletrônicos presentes ao nosso redor. Com o passar dos anos diversas funcionalidades vêm sendo agregadas a estes inclusive com maior poder de processamento. Em particular, para sistemas embarcados houve um crescimento da quantidade de sensores para diversos propósitos. Seguindo esta tendência, na área de saúde também houve um aumento significativo de aparelhos e dispositivos de monitoramento, tais como glicosimetros, oxímetros, monitoramento de pressão e batimento cardíaco por exemplo, que através de sensores realizam transdução dos dados pertinentes ao parâmetro envolvido. Este trabalho apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema embarcado com a propriedade de multiplexação de sensores, ou seja, foi desenvolvido um dispositivo microcontrolado o qual visa multiplicar a capacidade de monitoramento de analitos, conseguindo analisar múltiplos sensores para um mesmo experimento. Ao decorrer deste desenvolvimento foram utilizados quatro sensores dispostos simetricamente em um béquer, os dados são coletados e tratados de forma sequencial e individual. Inicialmente utilizamos um sistema embarcado com um microcontrolador (PIC 18F2550) que é responsável por digitalizar a informação e pela conexão via terminal USB. Posteriormente um microprocessador (Raspberry Pi Zero, placa embarcada) fez-se necessário devido ao melhor processamento de dados. Os sensores aqui estudados tratam-se de sensores químicos, que são introduzidos a uma célula eletroquímica, onde se encontram um eletrodo de referência (Prata em uma solução de Cloreto de Prata) e os outros quatro filmes finos que irão compor o sistema multiplexado. Para este estudo em específico o material escolhido para fabricação dos filmes finos foi um polímero condutivo, mais especificamente polianilina (PANI). Esta foi depositada sobre um substrato de oxido de estanho dopado com flúor (FTO) através da eletrodeposição. Para sensores não específicos (não imobilizados para um analito alvo) os dois sistemas embarcados apresentaram respostas satisfatórias. Prosseguindo com o estudo e usando filmes finos para analitos biológicos (ureia e glicose) o microcontrolador não conseguiu separar os sinais de cada filme fino. Apenas o sistema com a Raspberry Pi obteve sucesso, devido a maior resolução no conversor analógico para digital e sua maior capacidade de processamento para determinar com uma maior precisão os valores obtidos. O sistema pode ser facilmente expandido para um maior número de sensores. / With the evolution of technology there is nowadays an increase in the number of electronic devices present around us. Over the years various functionalities have been added to these devices including the increased processing power. In particular, for embedded systems there has been an increase in the number of sensors for various purposes. Following this trend, in the area of health, there has also been a significant increase in systems and monitoring devices, such as glycosimeters, oximeters, pressure monitoring and heart rate, for example, which, through sensors, transduce data pertinent to the parameter involved. This work presents the research and development of an embedded system with the property of multiplexing sensors, that is, a microcontrolled device was developed which aims to multiply the capacity of analytes monitoring, being able to analyze multiple sensors for the same experiment. During this development four sensors were used symmetrically arranged in a beaker, the data were collected and treated sequentially and individually. Initially we used an embedded system with a microcontroller (PIC 18F2550) that is responsible for scanning the information and for the connection via USB terminal. Subsequently a microprocessor (Raspberry Pi Zero, embedded board) was made necessary due to the better processing of data. The sensors studied here are chemical sensors, which are introduced to an electrochemical cell, where a reference electrode is found (Silver in a Silver Chloride solution) and the other four thin films that will make up the multiplexed system. For this specific study the material chosen for the manufacture of thin films was a conductive polymer, more specifically polyaniline (PANI). This was deposited on a substrate of fluorine-doped tin oxide (FTO) by electrodeposition. For non-specific sensors (not immobilized for a target analyte) the two embedded systems presented satisfactory responses. Proceeding with the study and using thin films for biological analytes (urea and glucose) the microcontroller failed to separate the signals from each thin film. Only the system with Raspberry Pi has been successful, due to the higher resolution in the analog to digital converter and its greater processing capacity to determine with greater precision the obtained values. The system can be easily expanded to a larger number of sensors.

Ao longo dos anos a medicina vem se desenvolvendo rapidamente e junto com ela desenvolvem-se os métodos e processos de diagnósticos. Estes métodos ficam mais rápidos, precisos e cada vez menos invasivos graças ao desenvolvimento de dispositivos diagnósticos a cada dia menores e que produzam respostas confiáveis. Os biossensores são, sem dúvida, os grandes responsáveis pela miniaturização, barateamento e rapidez de diversos métodos diagnósticos e procedimentos clínicos utilizados diariamente. Dentre os diferentes tipos de biossensores existentes, destacamos os biossensores embasados em transistores de efeito de campo (FETs), mais precisamente os biossensores a base de transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET). Analisamos nesse trabalho os procedimentos de medida utilizando filmes finos de óxido de estanho dopados com flúor (FTO) como membrana sensível a íons H+ acoplados à porta de um EGFET, que podem servir de base para a construção de um biossensor no futuro. Já existem artigos na literatura atual que fazem uso de FTO como membrana sensível a íons H+ e OH-. Entretanto, nenhum dos artigos disponíveis faz um bom controle de alguns parâmetros, em alguns casos relativamente simples, ou se fazem não deixam claro de que maneira estão controlando esses parâmetros. Tais parâmetros são de fundamental importância na resposta final dos sensores uma vez que eles interferem significativamente no sinal dos mesmos. Mostramos no presente trabalho que parâmetros como a luz, a sequência em que os pHs são medidos pela amostra, o procedimento de limpeza das amostras e até as características morfológicas das amostras são importantes no processo de adsorção e retirada de íons da superfície da membrana. Mostramos também que cada amostra necessita uma rotina diferente quanto à sequência de medidas e até mesmo procedimentos de limpeza para que seu rendimento seja máximo, e como diferentes amostras evoluem ao longo do tempo. Como solução aos problemas citados, descrevemos o uso correto de duas amostras que apresentaram reprodutibilidade em seus dados e invariância entre os resultados coletados por diferentes sequências de medidas. Por fim, deixamos uma proposta sobre a dinâmica que ocorre durante os processos de adsorção e retirada de íons H+ e OH- na superfície dos filmes. Com base em nossa proposta fizemos cálculos teóricos estimados da quantidade de cargas que são adsorvidas na superfície do filme para as diferentes situações encontradas durante os experimentos. / Over the years the medicine has been developing rapidly and along with it develop methods and diagnostic procedures. These methods become faster, more accurate and less invasive thanks to the development of diagnostic devices each day minors and producing reliable answers. The biosensors are undoubtedly the major responsible for miniaturization, cheaper and rapidity of various diagnostic methods and clinical procedures used every day. Among the different types of existing biosensors, we highlight the biosensors grounded in field effect transistors (FETs), more precisely the biosensor based in extended gate field effect transistor (EGFET). We analyzed on this work measurement procedures using tin oxide thin films doped with fluorine (or fluorine tin oxide FTO) as sensitive the membrane to H+ ions bounded to the gate of an EGFET, which can serve as a basis for building a biosensor in the future. Articles has already been written reporting the use of the FTO as sensitive membrane to ion H+ and OH-. However, none article available makes a good control of some parameters, in some cases relatively simple, or if they do not make it clear the way they are controlling these parameters. These parameters are of crucial importance in the final response of the sensors since they interfere significantly in signal of the sensors. So, we shown in this work, which parameters as light, the sequence in which the pHs are measured by the sample, the cleaning procedure of samples and even the morphological characteristics of the samples are important in the process of adsorption and ion withdrawal of membrane surface. We shown also that each sample requires a different routine on the following measures and even cleaning procedures for your maximum income is, and how different samples evolve over time. As a solution to the problems cited, we describe the correct use of two samples that showed reproducibility in your data and invariance between the results collected by different sequences of measures. Finally, we leave a proposal on the dynamics that occurs during adsorption processes and withdrawal ion H+ and OH- on the surface of the films. Based on our proposal did theoretical calculations estimated quantity of loads that are adsorb on the surface of the film for the different situations encountered during experiments.

A área de sensores é uma das mais importantes do mundo tecnológico e científico moderno. O monitoramento contínuo de processos através de variáveis de diversas naturezas está presente em áreas como indústria, agricultura, biologia, meio ambiente, e centros de pesquisa. Os sensores químicos de pH fazem parte deste conjunto por analisar um dos parâmetros mais importantes em muitas áreas. Neste trabalho, o uso de filmes finos de polianilina (PANI) eletrodepositada em sensores de pH foi estudado. Duas configurações do sensor EGFET (Extended Gate Field-Effect Transistor) foram estudadas: o sensor Single-EGFET (S-EGFET) e o sensor Instrumental Amplifier-EGFET (IA-EGFET). Os filmes foram analisados nos dois sistemas e a sensibilidade e linearidade de cada sensor, comparada. Valores iniciais de sensibilidade no sensor IA-EGFET foram reduzidas devido a protonação interna do polímero quando medidos no sensor S-EGFET. Observamos uma relação entre quantidade de material polimérico depositado e o grau de alteração dos parâmetros. Os filmes de PANI foram estudados em sensores IA-EGFET como passo inicial para aplica-los em sensores diferencias, Diferencial-IA-EGFET (D-IA-EGFET). Desenvolveu-se o sensor diferencial por esse apresentar a vantagem de ser insensível a ruído (temperatura, tempo, sistema eletrônico, concentração, etc.) sobre o sensor simples. Para este sensor temos um filme principal com alta sensibilidade ao íon de interesse, um filme de contraste com baixa sensibilidade aos íons de interesse e igual sensibilidade às fontes indesejáveis. Esses pares de filmes foram compostos por PANI, protonada e não protonada, óxido de estanho dopado com flúor e dióxido de titânio. Medidas diferenciais em função de temperatura, concentração da solução de estudo e tempo mostraram que um mecanismo de sensibilidade a íons e propriedades elétricas similares dos filmes gera um sensor diferencial bom e estável. A PANI é um material poli-eletrocrômico, isto é, seu estado de oxidação altera sua coloração. Utilizando filmes finos de PANI, que sofrem reações de protonação e desprotonação em contato com soluções ácidas e básicas, obtivemos um sensor ótico analisando os espectros de reflexão das amostras. Uma resposta aprimorada por polarização elétrica das amostras mostrou aumento da sensibilidade e diminuição da linearidade do sensor em função da variação da polarização, fazendo necessária a obtenção de um ponto ótimo de trabalho. / The study of sensors is one of the most important in the technological and scientific modern world. Continuous monitoring of processes, using variables of different types, is present in such areas as industry, agriculture, biology, environment, and research centers. Chemical pH sensors are part of this group due to its capability to analyze important parameter in many fields. In this MS we investigated the use of electrodeposited polyaniline (PANI) thin films as pH sensors. Two configurations of the EGFET (Extended Gate Field-Effect Transistor) sensor were studied: the Single-EGFET (S-EGFET) and the Instrumental Amplifier-EGFET (IA-EGFET). The films were analyzed in both systems and the sensitivity and linearity of each sensor were compared. Initial sensitivities measured in the IA-EGFET were reduced due to polymer bulk protonation after sequential measurement in the S-EGFET system. A relationship between the amount of deposited polymer and the degree of sensitivity change was observed. The films of PANI were studied in IA-EGFET sensors prior to its application in differential mode sensors, the Differential-IA-EGFET (D-IA-EGFET). The differential mode of operation was developed due to its advantage of being insensitivity to noise (temperature, electronic, time and buffer concentration variations) over the single one. The sensor has a principal film possessing high sensitivity to the target ion and a contrast film with a low sensitivity to the target ion, and both with the same sensitivity to the noise sources. These films were made of PANI, protonated and non-protonated, fluorine tin oxide, and titanium dioxide. Differential measurements as function of temperature, buffer concentration and time showed that similarity in ion-sensing mechanisms and electrical properties of the single films is necessary for the fabrication of good and stable differential sensors. PANI is a polyelectrochromic material, in other words, its oxidation state changes its color. Thin films of PANI (which can be protonated or deprotonated in contact to acid or basic solutions) were used in optical sensors by means of its reflective spectra. A bias-enhanced reflective response increased the films sensitivity and decreases its linearity, inducing the determination of an optimized working point.