Sílicas mesoporosas foram funcionalizadas pela imobilização de substâncias orgânicas ligadas covalentemente aos grupos silanol da superfície da sílica. A sílica SBA-15 nanoestruturada foi funcionalizada por pós-síntese com benzotiazol-2-tiol e filmes de sílica modificados com 3-mercaptopropiltrimetoxisilano foram obtidos por funcionalização direta. A caracterização destes materiais foi realizada por espectroscopia no infravermelho, difração de raios X, termogravimetria, análise elementar, ressonância magnética nuclear, microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de varredura. Eletrodos compósitos grafite-poliuretana e pasta de carbono modificados com sílica SBA-15 organofuncionalizada com benzotiazol-2-tiol (BTPSBA) e eletrodo carbono vítreo modificado com filme de sílica tiol-funcionalizado foram preparados e avaliados quanto ao seu desempenho em relação à determinação voltamétrica de metais pesados em amostras de água natural e cachaça. Parâmetros que afetam a corrente de pico voltamétrica foram otimizados e cádmio(II) apresentou uma resposta linear no intervalo de 1,0 a 10,0 x 10-6 mol L-1 com limite de detecção de 4,5 x 10-7 mol L-1 usando o eletrodo de pasta de carbono modificado com BTPSBA e voltametria de redissolução anódica de pulso diferencial (DPASV). Cd(II) foi adicionado em amostras de águas naturais e determinado com recuperação média de 96,4% em concentrações da ordem de 10-6 mol L-1. Este mesmo eletrodo, também foi avaliado na determinação de chumbo, cobre e mercúrio em amostras de água natural e cachaça por DPASV. Curvas analíticas foram lineares nos intervalos de concentração de 3,0 a 70,0 x 10-7 mol L-1 de (Pb2+), 8,0 a 100,0 x 10-7 mol L-1 de (Cu2+) e 2,0 a 10,0 x 10-6 mol L-1 de (Hg2+), com limites de detecção de 4,0 x 10-8 mol L-1 (Pb2+), 2,0 x 10-7 mol L-1 (Cu2+) e 4,0 x 10-7 mol L-1 (Hg2+). Os resultados indicaram que o eletrodo de pasta de carbono modificado com BTPSBA é sensível e efetivo na determinação de Pb2+, Cu2+ e Hg2+ nas amostras analisadas. O eletrodo compósito grafite-poliuretana modificado com BTPSBA foi avaliado na detecção de cádmio, chumbo, cobre e mercúrio, utilizando voltametria de redissolução anódica de pulso diferencial e onda quadrada (SWASV). Usando SWASV e 5 min de tempo de acumulação, respostas lineares foram obtidas nas faixas de concentrações de 1,0 x 10-7 a 1,0 x 10-6 mol L-1 (Cd2+), 7,0 a 90,0 nmol L-1 (Pb2+), 5,0 x 10-8 a 9,0 x 10-7 mol L-1 (Cu2+) e 1,0 x 10-8 a 1,0 x 10-7 mol L-1 (Hg2+), com limites de detecção de 29,0 nmol L-1 (Cd2+), 0,8 nmol L-1 (Pb2+), 8,0 nmol L-1 (Cu2+) e 0,9 nmol L-1 (Hg2+). O eletrodo modificado foi testado com sucesso na determinação simultânea de Cd2+, Pb2+, Cu2+ e Hg2+ em amostras de água natural. Hg(II) também foi determinado em amostras de água natural usando o eletrodo carbono vítreo modificado com filme de sílica tiol-funcionalizado e foi observado um limite de detecção de 4,3 nmol L-1, usando 15 min de pré-concentração. Hg(II) foi determinado com recuperação entre 97,0 e 101,4% em concentrações da ordem de 10-8 mol L-1. Os resultados mostraram que o eletrodo é seletivo e sensível na determinação de mercúrio. Em todos os casos, a sílica SBA-15 organofuncionalizada com benzotiazol-2-tiol e o filme de sílica tiol-funcionalizado mostraram ser bons modificadores, melhorando a sensibilidade dos eletrodos. / Mesoporous silicas were functionalised by immobilisation of organic substances covalently bonded to the silanol groups on the silica surface. SBA-15 nanostructured silica was functionalised by post-synthesis with 2-benzothiazolethiol and silica films modified with 3-mercaptopropyltrimethoxysilane were obtained by direct functionalisation. The characterization of these materials was performed by IR spectroscopy, X-ray diffraction, thermogravimetry, elemental analysis, nuclear magnetic resonance, atomic force microscopy and scanning electron microscopy. Composite graphite- polyurethane and carbon paste electrodes modified with SBA-15 silica organofunctionalised with 2-benzothiazolethiol (BTPSBA) and glassy carbon electrode modified with silica film thiol-functionalised were prepared and evaluated in relation to their performance in voltammetric determination of heavy metals in natural water and sugar cane spirit samples. Parameters affecting the voltammetric peak current were optimized and cadmium(II) showed a linear response in the range from 1.0 to 10.0 x 10-6 mol L-1 with detection limit of 4.5 x 10-7 mol L-1, using the carbon paste electrode modified with BTPSBA and differential pulse anodic stripping voltammetry (DPASV). Cd(II) spiked in a natural water sample was determined with 96.4% mean recovery at µmol L-1 level. The same electrode was also evaluated in the determination of lead, copper and mercury in natural water and sugar cane spirit samples by DPASV. Analytical curves were linear in concentration ranges from 3.0 to 70.0 x 10-7 mol L-1 (Pb2+), 8.0 to 100.0 x 10-7 mol L-1 (Cu2+) and 2.0 to 10.0 x 10-6 mol L-1 (Hg2+), with detection limits of 4.0 x10-8 mol L-1 (Pb2+), 2.0 x 10-7 mol L-1 (Cu2+) and 4.0 x 10-7 mol L-1 (Hg2+). The results indicated that the carbon paste electrode modified with BTPSBA is sensitive and effective in the simultaneous determination of Pb2+, Cu2+ and Hg2+ in the analyzed samples. The graphite-polyurethane composite electrode modified with BTPSBA was evaluated in the simultaneous detection of cadmium, lead, copper and mercury, using differential pulse and square wave anodic stripping voltammetry (SWASV). Using SWASV and 5 min accumulation time, the linear response ranges were 1.0 x 10-7 to 1.0 x 10-6 mol L-1 (Cd2+), 7.0 x 10-9 to 90.0 nmol L-1 (Pb2+), 5.0 x 10-8 to 9.0 x 10-7 mol L-1 (Cu2+) and 1.0 x 10-8 to 1.0 x 10-7 mol L-1 (Hg2+), with detection limits of 29.0 nmol L-1 (Cd2+), 0.8 nmol L-1 (Pb2+), 8.0 nmol L-1 (Cu2+) and 0.9 nmol L-1 (Hg2+). The modified electrode was tested successfully in the determination of Cd2+, Pb2+, Cu2+ and Hg2+ in natural water samples. Hg(II) was also determined in natural water samples using glassy carbon electrode modified with silica film thiol-functionalised and observed a detection limit of 4.3 nmol L-1, using 15 min of pre-concentration time. Hg(II) was determined between 97.0 and 101.4% mean recovery at 10-8 mol L-1 level. The results indicate that this electrode is selective and sensitive for the Hg(II) determination. In all cases, silica SBA-15 organofunctionalised with 2-benzothiazolethiol and silica film thiol-functionalised improved the sensitivity of the electrodes.

A modificação de eletrodos por sistemas auto-organizados (SAM) é um dos temas mais discutidos em eletroquímica e eletroanalítica, principalmente por elevar a biocompatibilidade destas superfícies. O foco principal deste trabalho está na transferência eletrônica através das SAMs de moléculas de alcanotióis sobre a superfície de eletrodos de ouro. Com a finalidade de investigar o comportamento eletroquímico do par redox [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-,, as superfícies de ouro foram modificadas com SAMs de alcanotióis com cadeias carbônicas de diferentes comprimentos e suas misturas. Desta forma, foi possível observar que as superfícies modificadas com monocamadas com 2, 3 ou 4 átomos de carbono em sua cadeia permitem que a transferência de elétrons ocorra através da SAM, produzindo perfis voltamétricos muito similares aos observados com a superfície de ouro sem a modificação. Com cadeias carbônicas longas (até 11 átomos de carbono), a transferência eletrônica é totalmente bloqueada e nenhum perfil voltamétrico foi observado. Com o objetivo de explorar o bloqueio total da superfície modificada de moléculas de alcanotióis de cadeias longas, os excessos superficiais foram calculados por meio da carga voltamétrica obtida da dessorção redutiva. Observaram-se valores de excesso superficial próximos a 9,0x10-10 mol/cm2, o que demonstra uma cobertura completa dos sítios ativos da superfície, justificando assim a ausência da resposta eletroquímica. A superfície modificada com as misturas de monocamadas de cadeias carbônicas longas e curtas promoveu respostas voltamétricas interessantes, desde que as moléculas de cadeias curtas contenham menos que 4 átomos de carbono. Neste caso, respostas voltamétricas sigmoidais similares às de ultramicroeletrodos (UMEs) foram obtidas. Este efeito foi associado com a formação de conjuntos de UMEs formados na superfície do eletrodo. O raio e a separação entre os UMEs nestas superfícies foram calculados como sendo 42 e 221 µm, respectivamente. Um total de 60 UMEs foi encontrado na superfície modificada. Estes UMEs foram formados por moléculas de cadeias menores totalmente emparedadas por cadeias maiores (moléculas de ácido 11- mercaptoundecanóico). Este comportamento reforça o propósito de que a transferência dos elétrons ocorra através das monocamadas de cadeia menor e que as moléculas de cadeia longa bloqueiam a superfície. Todos os experimentos voltamétricos foram seguidos de análises de espectroscopia de impedância eletroquímica os quais permitiram determinar a resistência de transferência de carga para cada modificação. Superfícies modificadas com alcanotióis de cadeia longa apresentaram elevados valores de transferência de carga, enquanto que as superfícies modificadas com alcanotióis de cadeia curta apresentam baixos valores de transferência eletrônica, em concordância com o comportamento voltamétrico observado. Finalmente, a organização de cada monocamada foi monitorada utilizando a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo. Pela variação de massa com o tempo de imersão do eletrodo na solução contendo o alcanotiól de interesse foi possível observar etapas de adsorção/dessorção, com o aumento da organização da monocamada. Os valores teóricos de variação de massa calculados para a formação de uma monocamada completa na superfície eletroquímica, apresentaram excelente concordância com os dados experimentais obtidos pelo monitoramento do sistema ao longo dos experimentos (depois de aproximadamente 2 horas de imersão). / The modification of electrode surfaces with self-assembled monolayer (SAM) is one of the top subjects in electrochemistry and electroanalysis, mainly due to its much enhanced biocompatibility. In this study, the focuses are centered in the electron transfer through SAMs of alkanothiols assembled onto gold electrode surfaces. In order to investigate the electrochemical behavior of the redox couple [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-, Au surfaces were modified with SAMs of long and short carbon chains alkanethiols, as well as with their mixtures. In this way, it was possible to observe that surfaces modified with monolayers of 2, 3 or 4 carbon atoms in the chain allowed electrons transfer to occur through the SAM, generating a voltammetric profile very similar to those observed on bare Au surfaces. With longer carbon chains (up to 11 carbon atoms), the electron transfer was totally blocked and none voltammetric profile was observed. Aiming to explain the total blockage of the surface with long chain alkanethiols modifications, the surface excess of molecules were measured by the voltammetric charge required for their reductive desorption. It was always observed surface excesses near to 9.0x10-10 mol/cm2, which is related to a full coverage of the active sites on the surface, thus justifying the absence of electrochemical response. The surface modification with mixtures of long and short carbon chains monolayers promoted very interesting voltammetric responses, as long as the short chains contain less than 4 carbon atoms. In this case, sigmoidal voltammetric responses were obtained, very similar to those observed for ultramicroelectrodes (UMEs). Such effect was associated to the formation of UMEs arrays in the electrode surface. The radius and separation of each UME in this surface array was evaluated as 42 and 221 µm, respectively. A value of 60 UMEs were found for the entire surface. These UMEs were formed by the short chain molecules totally walled by the long chain ones (mercaptoundecanoic acid molecules). Such behavior reinforces the proposition of electron transference through the short chain alkanethiol layer and surface blockage by the long chain one. All the voltammetric experiments were followed by electrochemical impedance spectroscopic analysis which allowed were determined the charge transfer resistance for each modification. Very large values were determined for long carbon chains while for the short chains much smaller resistance values were found, as expected by the voltammetric behavior. Finally, the assembling of each monolayer was followed by quartz crystal microbalance measurements. By the electrode mass variation with time of immersion in a solution containing the alkanethiol of interest it was possible to observe several steps of adsorption/desorption, as the organization of the monolayer increases. The theoretical values for mass variation for a full monolayer in the electrochemical surfaces were found to be in highly agreement with the experimental ones, measured in long time experiments (after approximately 2 hours of immersion).

Foram desenvolvidos eletrodos compósitos à base de nanotubos de carbono aglutinados por borracha de silicone e resina poliuretana de origem vegetal, visando aliar as interessantes propriedades dessa forma de carbono como material de eletrodo às vantagens da utilização de eletrodos sólidos. Para isso, os nanotubos adquiridos foram submetidos a um tratamento térmico/químico para eliminar eventuais resíduos metálicos de catalisador e carbono amorfo, bem como ativar sua superfície pela adição de grupos funcionais, abertura das extremidades e criação de defeitos em suas paredes. Os nanotubos foram caracterizados, antes e após o tratamento, utilizando técnicas como espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura, termogravimetria e difração de raios X. Os resultados permitiram concluir que os materiais já vêm pré tratados pelo fabricante e o tratamento adicional leva a uma melhora em suas propriedades eletroquímicas. Posteriormente, os eletrodos compósitos foram preparados com nanotubos de carbono, tratados e na forma como foram recebidos, utilizando borracha de silicone ou poliuretana como aglutinantes. O efeito do tratamento na resposta voltamétrica dos eletrodos compósitos foi avaliado utilizando-se voltametria cíclica. Um estudo da composição do material condutor, composto de misturas de nanotubos de carbono tratados e grafite, indicou que a melhora na resposta do eletrodo é proporcional à quantidade de nanotubos presentes no compósito, verificada pelo aumento na corrente de pico e pela diminuição da separação dos potenciais de pico. Esta melhora foi mais significativa no eletrodo compósito à base de nanotubos de carbono e borracha de silicone, o qual foi aplicado na determinação de propranolol e hidroclorotiazida, dois fármacos utilizados no tratamento de hipertensão. Os procedimentos de determinação foram desenvolvidos e as técnicas de voltametria de pulso diferencial e voltametria de onda quadrada foram utilizadas na quantificação dos fármacos em formulações farmacêuticas, com limites de detecção da ordem de 10-8 mol L-1 para propranolol e 10-6 para hidroclorotiazida. Os resultados foram concordantes com os métodos oficiais descritos nas farmacopéias com 95 % de confiança, de acordo com teste t-Student. Melhor resposta voltamétrica foi propiciada pela presença dos nanotubos, pois não houve a necessidade de pré-concentração para obter resposta quantitativa semelhante às previamente descritas na literatura. / Composite electrodes were developed based on carbon nanotubes bonded by silicone rubber and polyurethane vegetable resin, aiming to combine the interesting properties of this form of carbon as electrode material to the advantage by using solid electrodes. For this, the nanotubes obtained were subjected to a heat/chemical treatment to remove any residual metal catalyst and amorphous carbon, and activate their surface by the addition of functional groups, opening the ends and defects\' creation in their walls. The nanotubes were characterized before and after treatment, using techniques, such as infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, thermogravimetry and X-ray diffraction. The results showed that the material is pre treated by the manufacturer and additional treatment leads to an improvement in their electrochemical properties. Thereafter, the composite electrodes were prepared with treated and as received carbon nanotubes, using silicone rubber or polyurethane as binders. The treatment effect on the voltammetric response of the composite electrodes was evaluated using cyclic voltammetry. A study of the conductive material composition, composed by treated carbon nanotubes and graphite mixtures, indicated that the improvement in sensor response is proportional to the amount of nanotubes present in the composite, as verified by the increase in peak current and the decrease of the separation in the peak potentials. This improvement was more significant in the composite electrode based on carbon nanotubes and silicone rubber which was applied in the determination of propranolol and hydrochlorothiazide, both drugs used for hypertension treatment. The determination procedures were developed and the techniques of differential pulse voltammetry and square wave voltammetry were used for drugs\' quantification in pharmaceutical formulations, with detection limits of 10-8 mol L-1 for propranolol and 10-6 mol L-1 for hydrochlorothiazide. The results were consistent with the described methods in the official pharmacopoeias with 95% confidence, according to Student\'s t-Test. The best voltammetric response was obtained by the presence of the nanotubes, since there was no need for pre-concentration to get similar quantitative response to those previously described in literature.

Este trabalho descreve a preparação e caracterização de eletrodos modificados com metaloporfirinas e sua utilização para a redução e/ou oxidação de compostos orgânicos. As metaloporfirinas utilizadas foram a hexafluorofosfato de 5, 10, 15, 20–tetrakis(4’-metilpiridil)porfirinamanganês(III) - [Mn(T4MpyP)](PF6)5 e cloreto de 5, 10, 15, 20–tetrakis(2’-aminofenil)porfirinamanganês(III) - [Mn(T2APP)]Cl. Estas manganêsporfirinas (MnP) foram obtidas a partir das reações das porfirinas base livres comerciais: cloreto de 5, 10, 15, 20–tetrakis(4’-metilpiridil)porfirina - [H2(T4MpyP)]Cl4 e 5, 10, 15, 20–tetrakis(2’-aminofenil)porfirina - [H2(T2APP)], com o sal de manganês (II). A [Mn(T4MpyP)](PF6)5 foi purificada por recristalização em metanol e clorofórmio e a [Mn(T2APP)]Cl foi purificada por cromatografia em coluna de sílica usando como eluente a mistura diclorometano/metanol (1%). As manganêsporfirinas foram caracterizadas por espectroscopia UV/Vis, voltametria cíclica e espectroeletroquímica. Para a modificação do eletrodo utilizou-se 2 diferentes métodos dependendo da manganêsporfirina: a) pré-eletropolimerização do pirrol seguido pela adsorção da [Mn(T4MpyP)]5+ e b) polimerização do pirrol-2-carboxi-ácido na presença da [Mn(T2APP)]Cl; ambos sobre eletrodo de carbono vítreo. Os resultados obtidos mostraram que filmes de polipirrol/[Mn(T4MpyP)]5+ obtidos por eletropolimerização do pirrol seguido de imersão em uma solução da [Mn(T4MpyP)]5+ em meio tamponado (tampão fosfato, pH=7,4), exibem forte retenção na superfície do eletrodo, com alta estabilidade do sinal voltamétrico em potencial de – 0,37 V vs Ag/AgCl, atribuído à redução Mn(III) / Mn(II). Para comprovar a presença da manganêsporfirina no filme preparou-se um filme semelhante sobre eletrodo de vidro/ITO. Neste eletrodo modificado foi possível observar, por espectroscopia UV/Vis, a presença da banda Soret em 466 nm, característica desta manganêsporfirina. Deste modo, observou-se que eletrodos modificados por polipirrol podem ser utilizados para incorporação do cátion [Mn(T4MpyP)]5+, formando filmes estáveis, utilizando-se o ânion fosfato como contra-íon na formação do filme. Este EQM/MnP foi investigado quanto à sua capacidade de catalisar a redução eletroquímica do corante têxtil RR120 (vermelho reativo 120). Embora tenha sido observado um aumento na corrente referente à redução Mn(III)/Mn(II) do filme, esta variação não apresenta potencialidade de aplicação analítica, devido à baixa sensibilidade, traduzida pelo pequeno incremento de corrente em relação ao sinal da manganêsporfirina retida no filme. Para a [Mn(T2APP)]Cl observou-se que o melhor método para a modificação do eletrodo foi por polimerização direta do pirrol-2-carboxi-ácido na presença desta manganêsporfirina. Estudos referentes à capacidade eletrocatalítica deste EQM/MnP foram realizados para a redução eletroquímica do corante têxtil RR120. Uma variação significativa na corrente foi observada, apresentando assim potencial de aplicação na análise deste corante. / This work describes the preparation and characterization of metalloporphyrin-modified electrodes and their application in the reduction or/and oxidation of organic compounds. The studied metalloporphyrins were 5,10,15,20-tetrakis(4’-methylpyridyl) porphyrinmanganese(III)hexafluorophosphate, [Mn(T4MPyP)](PF6)5, and 5,10,15,20-tetrakis(2’-aminophenyl)porphyrinmanganese(III)chloride, [Mn(T2APP)]Cl. These manganese porphyrins (MnP) were obtained through the reaction of commercial free base porphyrins: 5,10,15,20-tetrakis(4’-methylpyridil)porphyrinchloride, [H2(T4MPyP)]Cl4, and 5,10,15,20-tetrakis(2’-aminophenyl)porphyrin, [H2(T2APP)], with the manganese(II) salt. [Mn(T4MPyP)]5+ was purified by recrystallization in methanol/chloroform and [Mn(T2APP)]Cl was purified by column chromatography on silica using dichloromethane/methanol (1%) as eluent. The manganese porphyrins were characterized by UV/Vis spectroscopy, cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry. The modified electrodes were prepared using two different methods depending on the manganese porphyrin: a) pre-electropolymerization of pyrrole followed by adsorption of [Mn(T4MPyP)]5+ and b) polymerization of pyrrole-2-carboxyacid in the presence of [Mn(T2APP)]Cl. In both methods, vitreous carbon disk was used as electrode. The results have shown that polypyrrole/[Mn(T4MPyP)]5+ films obtained through electropolymerization of pyrrole followed by immersion in [Mn(T4MPyP)]5+ solution in phosphate buffer (pH=7.4) are strongly adsorbed on the electrode surface. They present high stability of the voltammetric signal in – 0,37 V vs. Ag/AgCl, due to Mn(III)/Mn(II) reduction. In order to prove the presence of the manganese porphyrin on the film, a similar film was prepared on the ITO electrode. It was possible to observe the characteristic manganese porphyrin Soret band in 466 nm in this modified electrode. Therefore, polypyrrole modified electrodes can incorporate the [Mn(T4MPyP)]5+ cation, giving rise to stable films. The phosphate ions probably act as counter-ions during film formation. This EQM/MnP was investigated as catalyst for the electrochemical reduction of the textile dye RR120 (red reactive 120). Although an increase in the current was observed due to Mn(III)/Mn(II) reduction, this was not significant enough for analytical purposes. This probably happens due to its smaller sensitivity if compared to the film current itself. The [Mn(T2APP)]Cl modified electrode was prepared by direct polymerization of pyrrole-2-carboxyacid in the presence of this manganese porphyrin. The electrocatalytic activity of this EQM/MnP was investigated for the electrochemical reduction of the RR120 dye. A significant increase in the current was observed, which enabled its use for analytical purposes in the case of this dye.

"The development of Retarding Potential Analyzers (RPAs) capable of measuring high-density stationary and flowing plasmas is presented. These new plasma diagnostics address the limitations of existing RPAs and can operate in plasmas with electron densities in excess of 1x1018 m-3. Such plasmas can be produced by high-powered Hall Thrusters, Pulsed Plasma Thrusters (PPTs), and other plasma sources. The Single-Channel micro-Retarding Potential Analyzer (SC-microRPA) developed has a minimum channel diameter of 200 microns, electrode spacing on the sub-millimeter scale and can operate in plasmas with densities of up to 1x1017 m-3. The electrode series consists of 100 micron thick molybdenum electrodes and Teflon insulating spacers. The alignment process of the channel, as well as the design and fabrication of the stainless steel outer housing, the Delrin insulating tube, and all other microRPA components are detailed. To expand the applicability of the SC-microRPA to densities above 1x1018 m-3 a low transparency Microchannel Plate (MCP) has been incorporated in the design of a Multi-Channel micro-Retarding Potential Analyzer (MC-microRPA). The current collection theory for the SC-microRPA and the MC-microRPA is also derived. The theory is applicable to microRPAs with arbitrary channel length to diameter ratios and accounts for the reduction of ion flux due to the microchannel plate in the case of the MC-microRPA, due to absorption of ions by channel walls, and due to the applied potential. Current-voltage curves are obtained for incoming plasma flows that range from near-stationary to hypersonic, with temperatures in the range of 0.1 to 10 eV, and densities in the range of 1x1015 m-3 to 1x1021 m-3. The SC-microRPA current collection theory is validated by comparisons with the classical RPA theory and particle-in-cell simulations. Determination of unknown plasma properties is based on a fuzzy-logic approach that uses the generated current-voltage curves as lookup tables."

Orientador: Antonio Riul Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T23:09:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gaal_Gabriel_M.pdf: 44712274 bytes, checksum: 82729c0ddf725ae1aecd4acf867ce13e (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Hoje em dia um dos maiores desafios na área de fabricação de eletrodos é o desenvolvimento de novos materiais e métodos alternativos às técnicas tradicionais. Neste cenário, a eletrônica impressa aparece como alternativa interessante devido à simplicidade e robustez para deposição de trilhas condutoras em designs diversos. Aliado a tal fato, o desenvolvimento de novos materiais e novas tecnologias de impressão 3D facilita a aplicação dessa técnica no desenvolvimento de dispositivos, diminuindo custos, etapas de fabricação e tempo de prototipagem. Nesse projeto apresentamos o desenvolvimento de eletrodos interdigitados (IDEs, do inglês interdigitated electrodes) impressos utilizando uma impressora 3D Mendel90, totalmente montada pelo nosso grupo de pesquisa em colaboração com o Prof. Varlei Rodrigues. Utilizamos um filamento comercial a base de ácido polilático (PLA) dopado com fibras de grafeno para a impressão das trilhas condutoras, além de PLA transparente, também comercial, para impressão do suporte sobre o qual os IDEs foram impressos. Conseguimos imprimir IDEs em ~ 10 minutos, algo impraticável com técnicas fotolitográficas. Alternativamente, realizamos a funcionalização química das trilhas condutoras utilizando um banho de 2 h em solução de KMnO4 diluído em H2SO4, seguido por uma limpeza em água ultrapura e nova lavagem em HCl. Finalmente, para remoção do permanganato residual da superfície dos eletrodos, banhamos rapidamente as trilhas em solução de H2SO4 com H2O2 em proporção de 25% para 75% respectivamente. Realizamos caracterizações morfológicas, composição química, medidas elétricas e eletroquímicas das trilhas impressas e dos eletrodos funcionalizados quimicamente, comparando com resultados de IDEs de ouro de geometria idêntica. Em particular, verificamos diferenças significativas na impedância dos eletrodos impressos em relação aos de ouro, devido a baixa capacidade de formação de dupla-camada elétrica nos IDEs impressos. Foi observado também que o tratamento químico proposto modifica a resposta elétrica, aproximando o espectro de impedância dos eletrodos impressos ao obtido com os IDEs de ouro. Verificamos que a funcionalização química aumenta o desbalanceamento de cargas na superfície dos eletrodos impressos, favorecendo a formação de dupla-camada elétrica na interface eletrodo/eletrólito. Aproveitando esse desbalanceamento, realizamos a deposição de filmes poliméricos nanoestruturados visando o desenvolvimento de uma língua eletrônica totalmente impressa. Como etapa final, utilizamos esse sensor na distinção de amostras de solos com diferentes tipos de macro nutrientes, obtendo resultados semelhantes aos obtidos por sensores tradicionais. Com esta prova de conceito esperamos contribuir para uma metodologia mais simples, barata e rápida na fabricação de eletrodos e dispositivos explorando as facilidades da técnica de impressão 3D, permitindo sua prototipagem em geometrias complexas e tridimensionais que possam ser futuramente aplicados em sensoriamento e biossensoriamento / Abstract: Nowadays, one of the biggest issues addressed to sensor fabrication is build up efficient electrodes as an alternative way to the complex and expensive processes required by traditional techniques. Within this context, printed electronics arises as an interesting alternative due its simplicity and robustness to put electrodes on various surfaces. Furthermore, the development of new materials and technologies to 3D printing techniques eneables its exploration as a cheap and accessible technology to fabricate electrodes and potentiates several fields with more creative ideas, cost-effective and alternative materials for a rapid prototyping of complex devices. We show here the fabrication of fully 3D printed interdigitate electrodes (IDE) using a standard home-made Mendel90 Fused Deposition Modeling 3D printer, assembled in our research group in collaboration with Prof. Varlei Rodrigues. We used a commercial polylactic acid (PLA) filament doped with graphene fibers to print the conductive tracks and transparent PLA filament to print the electrodes substrate. As a result, we were able to develop fully 3D printed IDEs within 10 minutes, something impossible to achive with photolitographic techniques. We also applied a chemical functionalization to the electrodes with a 2 hours bath of KMnO4 dissolved in a H2SO4 solution, followed by a cleaning process with ultra-pure water and HCl. The IDEs were then immersed in a 25% H$2SO4 and 75% H2O2 solution in order to remove the potassium permanganate thin film adhered to the IDE surface. Finally, we carried out morphological, chemical composition, electrical and electrochemistry characterizations of the 3D printed IDEs, besides the functionalized electrodes and the results were compared with identical gold IDEs. In particular, we noticed a great difference between the electrical impedance response of the gold IDE compared with the 3D printed due to its low capacity to form electrical double layer. Moreover, we verified that the chemically treated IDEs show a similiar impedance behavior compared with the gold electrodes due a higher unbalance of superficial charges. Therefore, we explored this higher surface charge distribution to deposit polimeric nanostructured films aiming the development of a fully 3D printed electronic tongue. Lastly, we used this sensor to distinguish different soil samples fertilized with different macro nutrients. We obtained a distinguish equivalent to a tradicional e-tongue system built with microfabrication techniques. With this proof of concept, we expect to contribute with a simpler, cheaper and faster thecnique of electrode and device fabrication that explore the facilities and strengths of 3D printing technologies, eneabling their development in complex and 3D geometries for its appication in sensing and biosensing devices / Mestrado / Física / Mestre em Física / 156050/2015-3 / CNPQ

Although competitive today, traditional PbA (<1500 cycles) and advanced lead-acid batteries (ALAB) (>4000 cycles) will not be able to compete with lithium and flow batteries by 2020. To compete with novel zinc, lithium and flow batteries, the PbA chemistry needs to achieve significant performance improvements, primarily through sustainable increases to specific energy (Wh/kg), while not negatively impacting cycle life. Inverse charging has been examined for its potential in improving PbA cycle life as a battery maintenance procedure, and as a potential technique for improving electrode specific capacity (mAh/kg) during battery manufacturing and formation. A thorough levelized cost of energy (LCOE) shows that for traditional PbA batteries with cycle lives <2000, inverse charging as a maintenance strategy (to increase cycle life) improves battery economics. Inverse charging to increase cycle life for ALAB systems (>4000 cycle life) was proven to worsen battery economics, as additional costs of capital and maintenance fail to outweigh savings achieved through reductions in replacement cost. On the other hand, inverse charging employed as a manufacturing practice to increase specific energy dramatically reduces the cost of the PbA and ALAB systems, ensuring future cost competitiveness. Inverse charging as a maintenance strategy should be restricted to devices with <2000 cycles and to projects with long project lives (20 years) that require frequent replacement. Inverse charging as a manufacturing strategy (to increase specific energy) is highly preferable in all instances. When successful, inverse charging increases the specific capacity and active material utilization of studied battery electrodes significantly. Successful inverse charging of battery electrodes and pure lead rods show improvements in discharge capacities over a range of discharge rates with negligible impact to coulombic and energy efficiency values. The extent of success, however, depends on several important variables. Thorough examination of inverse charging on Pb rods and porous battery electrodes illustrates the importance of the degree of prior electrode sulfation and obstruction of transport of H₂SO₄. Other important factors include the composition of electrode grid alloys, the peak oxidation voltage applied to the negative electrode during inverse charging, initial particle sizes, and electrolyte additives. Significant challenges to inverse charging exist. For heavily sulfated batteries and lead metals, impeded electrolyte transport results in excessive internal pore pH increases, creating semipermeable membranes through an electrode hydration mechanism, resulting in dramatic inverse charging failure. Additionally, impedance, voltage, x-ray and BET data hint that post-inverse charging, agglomeration of finely divided Pb and PbSO₄ particles occurs, coupled with negative electrode conductive pathway destruction. As such, the influence of expander materials and nucleation additives should be investigated to better prevent sulfation failure, and to better control the nucleation and growth of lead and lead sulfate structures during inverse charging. Cycle life studies on flooded lead antimony batteries subjected to periodic inverse charging illustrate that inverse charging is highly successful on all batteries independent of states-of-health. Batteries with poor states-of-health (discharge capacities <15% of initial values) experienced almost perfect discharge capacity restoration post-inverse charging. Traditional methods of extending cycle life (i.e. prolonged overcharging techniques) were demonstrated to be inadequate at appreciably regenerating battery capacities, providing only marginal increases. The benefits of inverse charging, however, are met with significant challenges to battery redesign. Temporary antimony poisoning effects lead to declines in round-trip-efficiency for batteries with antimony-based positive plates. Tin dissolution results in diminished grid to active material conductivity and reduced capacity for batteries with tin-based positives. For the negative electrode, Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area and x-ray measurements indicate that although large PbSO₄ crystals are oxidized during inverse charging, creating extensive micropore networks during conversion from Pb to PbO₂, surface area and capacity gains are lost during reconversion back to sponge lead due to uncontrolled nucleation and particle fusion. Additionally, active material shedding of the positive and negative electrodes is observed to spike during and after inverse charging. Negative electrode active material suffers excessive degradation and loss of cohesion, particularly for electrodes with small initial particle feature sizes, resulting in a loss of structure upon completion of the technique. Positive electrode composition changes to weakly interconnected b-PbO₂, dramatically increasing electrode capacity while simultaneously accelerating electrode failure through shedding. Loss of particle cohesion in both electrodes promotes excessive shedding and sludging, creating intra-cellular short-circuits. In addition, inverse charging aggravates grid growth, promoting inter-cellular short-circuiting by creating pathways for cell-to-cell electrolyte contact upon seal destruction in current monoblock designs.

Uma propriedade fundamental dos seres vivos é a condução de sinais elétricos através de seus tecidos. Mas esse fato pouco é lembrado quando se trata de organismos vegetais. Outro item fundamental é a geração de sinais que possam transmitir informações entre os tecidos e órgãos para um ajuste fino do metabolismo. Nas plantas esses sinais podem ser de natureza química, hidráulica e elétrica. Nesse último caso são conhecidos potenciais de ação (PA), de variação (PV), de ferimentos (WP) e sistêmicos (SP), cada um com sua particularidade quanto à amplitude, velocidade e rotas de propagação, bem como seu papel no metabolismo. Os sinais elétricos podem afetar a respiração, fotossíntese, absorção de água, ativação de genes e fechamento de folhas de plantas insetívoras. PAs podem se propagar com velocidade relativamente constante e sem decréscimo. Eles seguem a lei do tudo-ou-nada, ou seja, todo estímulo que desencadeia um PA deve atingir um limiar de excitação para desencadear o sinal. Assim que o limiar é atingido o sinal se autoperpetua ao passo que estímulos supra limiares desencadeiam PAs de amplitude constante. A via de propagação do PA é o vaso do floema. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a sinalização elétrica em resposta à irrigação em plantas de girassol sob déficit hídrico e caracterizar esse sinal quanto à amplitude, duração, velocidade e direção de propagação. Para tanto 37 plantas foram avaliadas por meio de eletrodos extracelulares. Elas foram monitoras eletrofisiologicamente durante um período em que eram irrigadas e em um período sob déficit hídrico. Desse montante, onze responderam à irrigação pela geração de potenciais de ação (PA), ou seja, 30% delas. Oito delas geraram PAs em direção ao ápice (propagação acrópeta) enquanto duas geraram na direção basípeta. Uma delas gerou nos dois sentidos. O PA foi gerado também pós-irrigação mesmo com a planta não tendo passado por déficit hídrico, porém só aconteceu em uma das onze plantas. Os sinais se propagaram no caule, pecíolo e nervura central das folhas. O potencial de ação é gerado após irrigação em plantas de girassol com maior frequência quando elas passam por período de déficit hídrico e se propagam por toda a planta. Isso evidencia o papel do PA na sinalização de longa distância nos vegetais. / A fundamental property in the leaving beings is the conduction of electrical signals through their tissues. However, this fact is not always remembered when it comes to plant organisms. Another key process is the generation of signals that can transmit information among tissues and organs to a fine-tuning of the metabolism. In plants, these signals can be chemical, hydraulic and electrical. Concerning the last one, action potentials (AP), variation potentials (VP), wound potentials (WP) and system potentials (SP) are known; each one with its particularity regarding amplitude, velocity and propagation routes as well as its role in metabolism. The electrical signals may affect respiration, photosynthesis, water uptake, activation of genes and leaf closure in insectivorous plants. APs can spread with relatively constant speed and no decrement. They follow the all-or-nothing law, in another words, every stimulus that triggers an AP must reach a threshold to trigger the signal. Once the threshold is reached, the signal is self-perpetuating while stimuli above threshold trigger APs with constant amplitude. The propagation path of the AP is the phloem vessel. The aim of this work was to evaluate the electrical signaling in response to irrigation in sunflower plants under water deficit and characterize the AP regarding its amplitude, duration, velocity and propagation direction. Thirty seven plants were analyzed using extracellular electrodes. They were electrophysiologically monitored during a period when irrigated and in a period under drought. Eleven plants generated AP after irrigation, i.e. 30%. Eight of them generated AP that propagated acropetally while two generated in basipetal direction. One generated in both directions. The action potential was also generated in a plant that was not under drought stress, however it just happened in one of the eleven plants. The signals propagated in the stem, petiole and midrib of the leaves. The action potential is generated after irrigation in sunflower plants more frequently when they go through a period of water deficit and propagate throughout the plant. This highlights the role of AP in long-distance signaling in plants.

Sendo a constipação intestinal queixa freqüente em gestantes, procuramos verificar se o complexo hormonal da gestação, e em especial a progesterona, diminui a atividade muscular colônica. Para tanto, estudamos in vivo o registro do sinal mioelétrico, sob diferentes estados hormonais, em quatro pontos do cólon de ratas: ascendente proximal, ascendente distal, médio e cólon descendente por meio de implante de eletrodos na camada sero-muscular colônica. As ratas foram divididas em 5 grupos: controle, ooforectomizadas, ooforectomizadas tratadas com estrógeno, ooforectomizadas tratadas com progesterona e ratas prenhes. Os resultados mostraram uma maior atividade elétrica no cólon proximal em ratas prenhes e nas pré-tratadas com progesterona. Nas ratas prenhes a duração da atividade elétrica máxima foi, de modo significante, maior em todas as distâncias quando comparada com ratas controle. Os resultados sugerem que in vivo a progesterona e o complexo hormonal da prenhez aumentam a atividade mioelétrica do cólon proximal e que a prenhez aumenta a duração da atividade elétrica máxima no cólon em cada distância estudada, levando à formação de fezes mais desidratadas. Progesterona e prenhez não devem ser responsabilizadas por hipomotilidade do cólon, uma das hipóteses que poderia explicar a constipação intestinal em gestantes / The aim of this study was to find out if the hormonal complex of pregnancy, especially progesterone, could be responsible for decreasing colon myoelectric activity in female rats. We analyzed the records of colon myoelectric activity in vivo using the method of musculoserosal implantation of electrodes in four regions of the colon: proximal ascendent colon, distal ascendent colon, medial colon and descendent colon. The rats were divided in five groups: control, ovariectomized, ovariectomized and treated with estrogen, ovariectomized and treated with progesterone and pregnant rats. The results showed a greater electric activity in the proximal colon in pregnant and progesterone pretreated rats. In pregnant rats the duration of maximum electric activity was significantly greater in all distances studied. The results suggest that in vivo progesterone and the hormonal complex of pregnancy increase myoelectric activity of the proximal colon, and that pregnancy increases the duration of the maximum electric activity of the colon in every distance studied leading to more dehydrated fecal material. Progesterone and pregnancy should not be responsible for colon hypomotility, one of the hypothesis that could explain intestinal constipation in pregnant women

Cette étude a été divisée en 2 parties principales. Dans la première partie, nous examinons la relation entre l'activité des sources neuronales et les HFOs observés sur les électrodes intracérébrales. La deuxième partie traite de l'étude des conditions d'observabilité des HFO sur les électrodes du cuir chevelu. Les simulations ont montré que le modèle de champ neuronal proposé est capable de générer des HFOs montrant une forte ressemblance avec les signaux réels dans les deux cas EEG (cuir chevelu) et SEEG (intracérébral). De plus, nous avons pu relier les mécanismes physiopathologiques (GABA dépolarisant, inhibition directe, activité désynchronisée des populations neuronales) aux différentes caractéristiques morphologiques et spectrales des HFOs intracérébrales. Une hypothèse unifiée pour la production des HFOs et des pointes intercritiques est également formulée. Enfin, nous avons réussi à établir les conditions nécessaires sur l'activité temporelle et l'organisation spatiale des sources neuronales pour observer des HFOs sur les électrodes intracérébrales.En ce qui concerne la deuxième partie, la baisse inexpliquée de fréquence dans les HFOs collectées sur les électrodes du cuir chevelu a été abordée. Nous avons constaté que les mécanismes «non oscillatoires» de la génération de HFOs sont à l'origine de la faible fréquence (<200Hz) des HFOs du cuir chevelu et que le rapport signal / bruit (SNR) influe fortement sur la fréquence des oscillations. De plus, nous avons étudié la topographie des HFOs sur les électrodes du cuir chevelu et analysé comment cette topographie est affectée par différents paramètres (étendue spatiale épileptique, SNR, géométrie 3D). Enfin, nous avons montré que les HFOs du cuir chevelu peuvent être utilisés efficacement pour identifier la zone épileptique lorsque le rapport signal sur bruit des signaux enregistrés est suffisamment élevé. Une perspective de ce travail est l'identification non-invasive de la zone épileptique sans la nécessité d'enregistrements intracérébraux pré-chirurgicaux.Pour les deux études (HFO observés sur les électrodes intracérébrales et du cuir chevelu), un logiciel original et convivial a été développé. Ce logiciel a fortement facilité la simulation des signaux dans l'environnement cerveau/électrode virtuel, signaux obtenus en résolvant le problème direct de l’EEG (projection de la contribution électrique des sources neuronales sur les capteurs). / This study was divided into 2 main parts. In the first part, we address the relationship between the activity of neuronal sources and the HFOs observed on intracerebral electrodes. The second part deals with the investigation of observability conditions of HFOs on scalp electrodes. Simulations showed that the proposed neural field model is capable of generating HFOs showing strong resemblance with real signals in both cases EEG (scalp) and SEEG (intracerebral). Moreover, we were able to relate the pathophysiological mechanisms (depolarizing GABA, feedforward inhibition, desynchronized activity of neuronal populations) to different morphological and spectral features of intracerebral HFOs. A unified hypothesis for generation of HFOs and interictal spikes is also formulated. Finally, we managed to establish the necessary conditions about the temporal activity and the spatial organization of neuronal sources and about for HFOs to be observed on intracerebral electrodes. Regarding the second part, the unexplained drop in frequency in the collected HFOs on scalp electrodes was addressed. We found that the “non-oscillatory” mechanisms of the HFO generation is behind the low frequency (<200Hz) in scalp HFOs and that signal to noise ratio (SNR) heavily impacts the frequency of the oscillations. Moreover, we studied the topography of HFOS on scalp electrodes and analyzed how this topography is affected by different parameters (epileptic spatial extent, SNR, 3D geometry). Finally we showed that scalp HFOs can be effectively used to identify the epileptic zone when the SNR of the recorded signals is sufficiently high. A perspective to this work is the non-invasive identification of epileptic zone without the need for presurgical intracerebral recordings. For the purpose of both studies (HFOs observed on intracerebral & scalp electrodes) an original and user-friendly software package was developed. This software strongly facilitated the simulation of signals in the virtual brain/electrode environment obtained by solving the (S)EEG forward problem (projection of the electric contribution of neuronal sources onto electrode contacts).