Sensores eletroquímicos impressos em 3D para o monitoramento in loco de acetaminofeno e 17ß-estradiol em ecossistemas aquáticos

Abstract

A urbanização e a industrialização levaram ao aumento da produção de inúmeros compostos que são consumidos e descartados diariamente por milhões de pessoas em todo o mundo, o que gerou uma contaminação contínua de diversos ambientes. Como resultado, a presença de contaminantes emergentes como o acetaminofeno (AP) e o 17ß-estradiol (E2) em diferentes matrizes ambientais se tornou motivo de preocupação pública e ambiental. O AP é princípio ativo de medicamentos da classe dos anti-inflamatórios não esteroides, enquanto o E2 é considerado um hormônio feminino pertencente à classe dos esteroides naturais. Estes compostos estão presentes em medicamentos comuns e são descartados indevidamente pela população. No entanto, AP e E2 representam riscos tanto para a saúde como para o ambiente, com potencial para agirem como desreguladores endócrinos. Portanto, torna-se crucial desenvolver métodos analíticos sensíveis e de baixo custo para o monitoramento in loco destes compostos. Nesse sentido, a tecnologia de impressão 3D vem se consolidando como um método simples e acessível para o desenvolvimento de novos sensores eletroquímicos devido às suas inúmeras possibilidades de aplicação, facilidade de customização e fabricação sob demanda. Filamentos condutores baseados em ácido polilático (PLA) combinados com as propriedades condutoras de aditivos de carbono, como negro de fumo (CB ? do inglês, carbon black) têm sido empregados na fabricação de sensores. Esses materiais são economicamente viáveis e considerados biodegradáveis, possuindo características sustentáveis. Porém, esses filamentos são predominantemente compostos por PLA, necessitando de condicionamento de superfície para aplicações eletroanalíticas. A ativação eletroquímica por NaOH tem sido amplamente empregada, pois remove seletivamente o PLA da superfície através da reação de saponificação, garantindo a integridade do material condutor e ótimo desempenho analítico. Neste trabalho foi utilizada uma impressora 3D para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos. Esses sensores foram projetados para conter eletrodos de trabalho, pseudo-referência e contra eletrodo usando um filamento condutor de negro de fumo-ácido polilático (CB/PLA) em um substrato não condutor de acrilonitrila butadieno estireno (ABS) usando a impressão por modelagem de deposição fundida. Sob condições otimizadas, os sensores foram ativados eletroquimicamente (solução de NaOH 1,0 mol L-1, +1,2 V vs. carbon black, 900 s), degradando o PLA na superfície do eletrodo e expondo o material condutor. A superfície do sensor foi caracterizada por técnicas eletroquímicas, microscópicas e espectroscópicas, apresentando uma maior exposição do CB, aumento na área superficial e aprimoramento da condutividade. Em estudos de voltametria cíclica, observou-se que AP apresentou comportamento eletroquímico quase-reversível, enquanto o E2 apresentou comportamento irreversível, com ambos os processos controlados por difusão. O método analítico foi otimizado visando maior sensibilidade a ambos os analitos na superfície do sensor 3D PLA/CB. As seguintes condições foram selecionadas: solução tampão Britton-Robinson 0,10 mol L-1 (pH 3,0), voltametria de onda quadrada (frequência 3,0 Hz, incremento de varredura 5,0 mV e amplitude 50 mV). A curva de calibração para AP e E2 foi construída na faixa de concentração de 0,50 a 25 µmol L-1 e 0,75 a 50 µmol L-1, respectivamente. O limite de detecção obtido para AP foi de 0,15 µmol L-1, enquanto para E2 foi de 0,23 µmol L-1. O sensor 3D PLA/CB foi aplicado na determinação simultânea in loco de AP e E2 em amostras de água da região costeira de Florianópolis, Brasil, conhecida pelo turismo e pela produção de ostras e mariscos. Os resultados demonstraram que o sensor 3D proposto em conjunto com um potenciostato portátil acoplado a um smartphone serve como uma ferramenta útil para o monitoramento e determinação simultânea in loco de contaminantes emergentes em ecossistemas aquáticos, fornecendo dados com precisão e exatidão satisfatórios.

Abstract: Urbanization and industrialization have led to the increased production of numerous compounds, which are consumed and discarded daily by millions of people worldwide this has generated a continuous contamination of various environments. As a result, the presence of emerging contaminants such as acetaminophen (AP) and 17ß-estradiol (E2) in different environmental matrices has become a matter of public and environmental concern. AP is an active principle of medications from the nonsteroidal anti-inflammatory class, while E2 is considered a female hormone belonging to the natural steroids class. These compounds are present in common medicines, being improperly discarded by the population, in addition to being excreted by the human body. However, AP and E2 pose risks to both health and the environment, with the potential to act as endocrine disruptors. Therefore, it becomes crucial to develop sensitive and cost-effective analytical methods for the in loco monitoring of these compounds. In that regard, the 3D-printing technology has been consolidating itself as a simple and accessible method for the development of new electrochemical sensors due to its numerous application possibilities, ease of customization, and on-demand manufacturing. Conductive filaments based on polylactic acid (PLA) combined with the conductive properties of carbon additives such as carbon black (CB) have been employed for sensor manufacturing. These materials are economically viable and considered biodegradable, possessing sustainable characteristics. However, these filaments are predominantly composed of PLA, requiring surface conditioning for electroanalytical applications. Electrochemical activation by NaOH has been widely employed as it selectively removes PLA from the surface through the saponification reaction, ensuring the integrity of the conductive material and optimal analytical performance. In this work, a 3D printer was used for the development of electrochemical sensors. These sensors were designed to contain a working, pseudo-reference, and auxiliary electrodes using a conductive filament of carbon black-polylactic acid (CB/PLA) on a non-conductive acrylonitrile butadiene styrene (ABS) substrate using fused deposition modeling. Under optimized conditions, the sensors were electrochemically activated (1.0 mol L-1 NaOH, +1.2 V vs. carbon black, 900 s), degrading the PLA on the electrode surface and exposing the conductive material. The sensor surface was characterized by electrochemical, microscopic, and spectroscopic techniques exhibiting increased exposure of the CB, enhanced surface area and improved conductivity. In cyclic voltammetry studies, it was observed that AP exhibited a quasi-reversible electrochemical behavior, while E2 displayed an irreversible behavior, with both processes controlled by diffusion. The analytical method was optimized aiming for greater sensitivity to both analytes on the surface of the 3D PLA/CB sensor. The following conditions were selected: 0.10 mol L-1 Britton-Robinson buffer (pH 3.0), square wave voltammetry (frequency 3.0 Hz, scan increment 5.0 mV and amplitude 50 mV). The calibration curve for AP and E2 was built in the concentration range of 0.50 to 25 µmol L-1 and 0.75 to 50 µmol L-1, respectively. The obtained detection limit for AP was 0.15 µmol L-1, while for E2, it was 0.23 µmol L-1. The 3D PLA/CB sensor was applied to the in loco simultaneous determination of AP and E2 in water samples from the coastal regions of Florianópolis, Brazil, known for tourism and oyster and shellfish production. The results demonstrated that the proposed 3D sensor, together with the portable potentiostat coupled to a smartphone, serves as a useful tool for on-site monitoring and simultaneous determination of emerging contaminants in aquatic ecosystems, providing satisfactory data with accuracy and precision.