DESENVOLVIMENTO DE UM ARRANJO EXPERIMENTAL DIDÁTICO PARA O ESTUDO DA ESPECTROSCOPIA DE IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA

O uso de biossensores em diversas áreas da ciência vem aumentandorapidamente, sobretudo na análise de substâncias, seja para aferição de qualidade ouconcentração de determinadas impurezas. Dentre as várias etapas de fabricação debiossensores, destacamos a etapa do estudo da interação entre biomoléculas e substratossintéticos, que pode ser estudado por diversas técnicas de caracterização. Uma delas é acaracterização por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE) - tambémconhecida como EIS (do inglês-Electrochemical Impedance Spectroscopy). Esta métodode caracterização é um dos mais informativos dentre muitos métodos eletroquímicosrecentemente disponíveis no desenvolvimento de sensores de afinidade e debiossensores (BARSOUKOV & McDONALD, 2005). Ela é especialmente bemaplicada nos sensores baseados em eletrodos modificados por camadas de polímerossemicondutores, bem como nos sensores de afinidade baseados em polímeroscondutores (como o polipirrol) molecularmente impressos (MIPs-do inglês MolecularlyImprinted Polymer), que podem ser impressos por moléculas de baixa massa molecularcomo a teofilina, cafeína ou por grandes moléculas, como proteínas e até mesmo o DNA(BARD & FAULKNER, 2000).O conceito de resistência elétrica é, basicamente, a habildade que um circuitoapresenta de resistir à passagem de uma corrente elétrica. Da lei de Ohm (equação 1),temos que a resistência é definida pela razão entre a tensâo V e a corrente I.VRI (1)No entanto, essa relação so é válida para um resistor ideal. Um resistor ideal obedece àlei de Ohm em qualquer faixa de corrente ou tensão, sua resistência não varia e um sinalem corrente alternada (AC) mantém sua fase ao passar por ele. No mundo real, sãoencontrados sistemas muito mais sofisticados do que esse e que exibem comportamentobastante complexo. Isso traz a necessidade da introdução do conceito de impedância,que é mais geral do que a resistência.Supondo um circuito RLC submetido a uma corrente alternada na forma deexponencial complexa *0i t I I e . Pela equação (1), as tensões em cada um desseselementos em série será0i tR V RI e (2)0i tLdIV L iL I edt (3)01 1 i tC V Idt I eC i C (4)Chamando os coeficientes das equações (3) e (4) de XL e Xc, encontramosexpressões análogas à lei de Ohm para esses dois elementos do circuito, onde XL e Xcsão dados em ohms e são chamados de reatância indutiva e capacitiva respectivamente.A tensão total nesses elementos em série será dada pela soma das tensões em cada umdeles. Somando (2), (3) e (4) temos*01 i t V R iL I ei C (5)Cuja parte real, pela relação de Euler para a exponencial complexa, nos dá*0 01Re(V ) RI cos t L I sen tC (6)Da equação (5), vemos que as reatâncias capacitiva e indutiva também podem serrepresentadas por grandezas complexas. A soma dessas reatâncias com a resistência(coeficiente entre parênteses na eq. 5), tem dimensão de resistência e define aimpedância complexa.* 1 1Z R iL R i Li C C (7)* ( ) iL C Z R i X X Ze (8)Conhecendo como se comportam a parte real e a parte imaginária da impedânciade um circuito, é possível montar seu espectro de impedância plotando os valores daimpedância real e complexa contra a frequência do sinal de entrada. Para este fim,podemos desprezar os termos associados ao indutor L dado que, na técnica daespectroscopia de impedância eletroquímica, o sistema estudado é aproximado para umsistema resistivo-capacitivo equivalente (CHINAGLIA, et al, 2008). Levando isso emconta, a equação (8) fica*C Z R iX (9)Cujas partes real e imaginária são * Re Z R (10) * 1Im C Z XC (11)Com isso, o espectro de impedância terá a seguinte formaFigura 1: Ilustração do espectro de impedância para um circuito RC ideal em série.Dada uma amostra como, por exemplo, uma célula eletroquímica, ao submete-laa um estímulo como uma corrente alternada igual à descrita acima, é possível levantar oespectro de impedância dessa amostra e ajustá-lo ao circuito resistivo-capacitivoequivalente. Dessa forma, podemos levantar os parâmetros da amostra e estudar comoestes se comportam de modo a avaliar, por exemplo, como ela se degrada em diferentescondições ou caracterizar os materiais que a compõem (LOVEDAY, PETERSON e RODGERS, 2004).