Método sol-gel para a obtenção de materiais nanoestruturados aplicados como filmes antimicrobianos, sensores eletroquímicos e suportes para imobilização de enzimas

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidos materiais com diferentes configurações, através do método sol-gel de síntese, que foram aplicados como: filmes antimicrobianos, sensores eletroquímicos e suportes para imobilização de enzimas. Assim, na primeira parte do trabalho foi desenvolvido um sistema constituído por nanopartículas de ouro, quitosana e APTMS (3- aminopropiltrimetoxisilano), que foi utilizado na preparação de filmes nanoestruturados empregando a técnica drop-casting. Estes filmes apresentaram boa homogeneidade e baixa rugosidade. Os filmes contendo os três componentes (nanopartículas de ouro, quitosana e APTMS) exibiram alto desempenho antimicrobiano contra a bactéria Salmonella Typhimurium, em comparação com o filme branco (preparado na ausência de nanopartículas de ouro). Na segunda parte do trabalho foi desenvolvido um sistema constituído por um xerogel magnético, mesoporoso, de sílica/nióbia, contendo partículas de magnetita esféricas (com diâmetro médio de 330 nm), que foi utilizado na preparação de um sensor eletroquímico para determinação de p-nitrofenol. Este material (MP@SiNb), composto por Fe3O4 (ca. 25% m/m), SiO2 (ca. 42% m/m) e Nb2O5 (ca. 33% m/m) apresentou mesoporos na faixa de 20 a 50 nm e uma área superficial específica significativa de 68 m2 .g−1. Essas características permitiram sua aplicação na construção de um eletrodo de pasta de carbono modificado (MP@SiNb-CPE), que se mostrou sensível e seletivo para determinação de p-nitrofenol, abrangendo amostras reais de água. Na terceira parte do trabalho foi desenvolvido um sistema constituído por um xerogel mesoporoso de sílica, organofuncionalizado com 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS), que foi utilizado como suporte para imobilização de enzimas lipase. Este suporte, denominado Si-GPTMS, apresentou bons parâmetros para a imobilização de enzimas, como área superficial específica de ~160 m2 .g−1 e mesoporos com máximo de distribuição em ~22 nm. Devido a estas características texturais, este material foi aplicado para a imobilização de enzimas lipase Candida antarctica B (CalB) e Thermomyces lanuginosus (TLL). Foram feitos testes de imobilização utilizando diversas cargas de enzima CalB no suporte Si-GPTMS. O maior rendimento e eficiência de imobilização foi obtido para o material com a menor carga de enzima, SiGCalB-10. Alguns testes de imobilização, onde foi modificado o volume total de solução enzimática por grama de suporte, mostraram diferentes valores dos parâmetros de imobilização, atividade e massa de proteína imobilizada através da reação de hidrólise do p nitrofenilpalmitato (p-NPP). Os ensaios de estabilidade térmica mostraram que a enzima livre perde sua atividade em temperatura de 60 ºC, enquanto que o biocatalisador SiGCalB-10 apresentou atividade após 1 h de reação em temperatura de 80 ºC. A enzima livre e o biocatalisador heterogêneo foram aplicados na reação de síntese do éster butirato de butila, atingindo 80% de conversão em até 6 h de reação, a 50 ºC. Os ensaios de reuso do biocatalisador SiGCalB-10 mostraram que após 9 ciclos de 3 h, ao longo de 40 dias, o mesmo manteve aproximadamente 90% da atividade inicial.

In this study, materials with different configurations were developed using the sol-gel synthesis method, which were applied as: antimicrobial films, electrochemical sensors and support for enzyme immobilization. Thus, in the first part of the study, a system composed of gold nanoparticles, chitosan, and APTMS (3-aminopropyltrimethoxysilane) was developed, which was used to prepare nanostructured films using the drop-casting technique. These films exhibited good homogeneity and low roughness. The films containing all three components (gold nanoparticles, chitosan, and APTMS) exhibited high antimicrobial performance against the bacteria Salmonella Typhimurium compared to the blank film (prepared in the absence of gold nanoparticles). In the second part of the study, a system was developed consisting of a magnetic, mesoporous, silica/niobia xerogel, containing spherical magnetite particles (with an average diameter of 330 nm), which was used in the preparation of an electrochemical sensor for the determination of p-nitrophenol. This material (MP@SiNb), comprised of Fe3O4 (ca. 25% w/w), SiO2 (ca. 42% w/w), and Nb2O5 (ca. 33% w/w), exhibited mesopores in the range of 20 to 50 nm and a significant specific surface area of 68 m2 .g−1 . These characteristics allowed its application in the construction of a modified carbon paste electrode (MP@SiNb-CPE), which proved to be sensitive and selective for the determination of p-nitrophenol, including real water samples. In the third part of the study, a system was developed consisting of a mesoporous silica xerogel, organofunctionalized with 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS), which was used as a support for immobilizing lipase enzymes. This support, named Si-GPTMS, presented good parameters for enzyme immobilization, such as a specific surface area of ~160 m2 .g−1 and mesopores with maximum distribution at ~22 nm. Due to these textural characteristics, this material was applied for the immobilization of Candida antarctica B (CalB) and Thermomyces lanuginosus (TLL) lipase enzymes. Immobilization tests were carried out using various loads of CalB enzyme on the Si-GPTMS support. The highest yield and immobilization efficiency was obtained for the material with the lowest enzyme load, SiGCalB 10. Some immobilization tests, where the total volume of enzyme solution per gram of support was modified, showed different values of the immobilization parameters, activity and mass of immobilized protein through the hydrolysis reaction of p-nitrophenylpalmitate (p-NPP). Thermal stability tests showed that the free enzyme loses its activity at a temperature of 60 ºC, while the SiGCalB-10 biocatalyst showed activity after 1 h of reaction at a temperature of 80 ºC. The free enzyme and the heterogeneous biocatalyst were applied in the synthesis reaction of butyl butyrate ester, achieving 80% conversion within 6 hours of reaction, at 50 ºC. Reusability tests of SiGCalB-10 biocatalyst indicated that after 9 cycles of 3 hours, over 40 days, it retained approximately 90% of its initial activity.