Sensor em fibra ótica para a análise do ião amónio na água

Abstract

O presente trabalho teve como principal objetivo o estudo e o desenvolvimento de um sensor químico em fibra ótica de PMMA para a análise do ião amónio na água. Fez-se uma revisão da literatura dos diferentes tipos de sensores óticos e do seu impacto na química analítica, em particular para a análise do ião amónio em água. Tais sensores apresentam algumas desvantagens tais como: instabilidade operacional, tempo de vida útil muito reduzido, desempenho afetado por outros componentes presentes em água, tempos de resposta longos, ou resposta dependente da taxa de fluxo da amostra. O sensor desenvolvido neste trabalho teve por base uma fibra ótica de poli(metacrilato de metilo), que foi funcionalizada com um polímero molecularmente impresso, especialmente concebido para interagir com o analito: o ião amónio. O polímero molecularmente impresso foi sintetizado por polimerização radicalar livre por enxertia. O ácido metacrílico foi utilizado como monómero funcional, o dimetacrilato de etilenoglicol como agente de reticulação, e como solvente usou-se uma mistura etanol/água na proporção (20/80) %. A molécula molde foi o próprio analito, o ião amónio. A fim de selecionar as condições ótimas de polimerização, realizaram-se diversos ensaios variando as concentrações do monómero e do agente de reticulação. A seleção das melhores condições foi feita com base na uniformidade do polímero enxertado. Esta seleção começou por ser feita para um polímero não impresso, para o qual se obtiveram camadas mais uniformes com a solução C (4,3 mM MAA; 7,7 mM EDMA) e posteriormente para o polímero impresso para o qual se obtiveram camadas mais uniformes com as soluções C (4,3 mM MAA; 7,7 mM EDMA e 0,614 mM NH4+) e D (2,1 mM MAA; 7,7 mM EDMA e 0,30 mM NH4+). Testou-se a sensibilidade em soluções aquosas de amónio, tanto do sensor com a camada de polímero impresso obtido com a solução C e tempo de polimerização de 15 minutos, como com a fibra não modificada. Os resultados dos testes mostraram a variação da intensidade do sinal com a concentração do ião amónio em solução aquosa para o sensor com a camada de polímero impresso. A intensidade do sinal diminuiu para as concentrações do ião amónio entre 0 e 0,01 M, verificando-se uma diminuição da intensidade do sinal em cerca de 25%. O sinal saturou-se para as concentrações entre 0,01 e 0,09 M. No entanto, são necessários testes posteriores para a determinação da gama de trabalho, limite de deteção, repetibilidade e seletividade do sensor de fibra ótica.

The present work main objective was the study and development of a PMMA fiber optical chemical sensor for the detection of ammonium ion in water. Literature review of the different types of fiber optic sensors and their impact on analytical chemistry, in particular for the analysis of ammonium ion in water was carried out. Existing sensors for the detection of ammonium have several drawbacks such as operational instability, very short lifetime, insufficient selectivity to other components present in water, long response times, or dependence of the sensor response of the sample flow rate. The sensor developed in this work was based on a poly(methyl methacrylate) optical fiber functionalized with a molecularly imprinted polymer, specially designed to interact with the analyte, the ammonium ion. The molecularly imprinted polymer was synthesized by free radical polymerization by grafting. Methacrylic acid was used as functional monomer, ethyleneglycol dimethacrylate as a crosslinking agent and a mixture of ethanol / water in the ratio (20/80) % as a solvent. The template molecule was the analyte itself, ammonium ion. In order to select the optimal polymerization conditions, several tests were carried out with varying concentrations of monomer and crosslinking agent. The selection of the best conditions was based on the uniformity of the grafted polymer. This selection was initially made for a non- imprinted polymer, for which more uniform layers were obtained using solution C (4.3 mM MAA, 7.7 mM EDMA), and subsequently for an imprinted polymer for which more uniform layers were obtained using solutions C (4.3 mM MAA, 7.7 mM EDMA and 0.614 mM NH4+) and D (2.1 mM MAA, 7.7 mM EDMA and 0.30 mM NH4 +). The sensitivity to ammonium ions was tested for unmodified fiber sensor and sensor with grafted imprinted polymer layer synthesised using solution C and polymerization time 15 minutes. No change on the signal intensity with the concentration of ammonium ion in aqueous solution was observed for the non-modified fibre sensor. The sensor modified with imprinted polymer has shown response to ammonium ions in the concentration range between 0 and 0.01 M, resulting in a decrease in the signal intensity of 25%, compared to the stable reading in water. Signal saturation was observed between 0.01 and 0.09 M. Further tests are necessary for determination of working range, detection limit, repeatability and selectivity of optical fiber sensor.