Detecção de Glifosato em Água

O estudo centra-se no desenvolvimento de uma nova metodologia para detectar o herbicida glifosato em amostras de água, utilizando técnicas de espectroscopia óptica, especificamente espectroscopia ultravioleta-visível (UV-Vis) e espectroscopia Raman. Inicialmente, o corante rodamina serviu como molécula de prova em testes preliminares, visando ao desenvolvimento de uma metodologia de ablação a laser e conversão de formato fotoinduzida para a síntese de nanopartículas de prata com diferentes geometrias e dimensões. A expectativa era de que essas nanopartículas, apresentando diferentes ressonâncias plasmônicas, otimizariam a intensificação do campo eletromagnético quando sintonizadas com o comprimento de onda do laser usado nas interrogações Raman. A escolha da espectroscopia Raman, em especial o efeito SERS (espectroscopia Raman intensificada pela superfície), se justifica pela sua alta sensibilidade, potencialmente reduzindo custos e tempo de processamento de amostras em comparação a métodos tradicionais como a cromatografia líquida ou a cromatografia iônica. O estudo destaca a importância de otimizar a síntese de nanopartículas para maximizar a detecção do glifosato por meio do efeito SERS, explorando a relação entre a forma e o tamanho das nanopartículas de prata e a intensificação do sinal Raman.

Após a fase de testes com rodamina, o corante foi substituído pelo herbicida glifosato. O uso de nanoestruturas esféricas de prata resultou na identificação de apenas uma banda na região de 1806 cm⁻¹ do espectro Raman com intensificação de superfície, apresentando uma relação sinal-ruído de 5,70 para a menor concentração utilizada (0,11 mg/L de glifosato em solução). Entretanto, com nanoestruturas de prata triangulares e hexagonais, obtidas através do processo de fotoconversão, o espectro Raman se mostrou significativamente diferente. Foram observadas três novas bandas em 725, 935 e 1375 cm⁻¹, consideradas regiões de assinatura do herbicida. Além disso, a relação sinal-ruído aumentou para 10,02 para a mesma concentração de glifosato. Essa melhoria nos resultados foi atribuída à sintonização das ressonâncias plasmônicas e à concentração de campos eletromagnéticos nas bordas afiadas das nanoestruturas triangulares e hexagonais, demonstrando a superioridade destas últimas para a detecção de glifosato em comparação às esféricas.

A metodologia proposta utilizando nanopartículas de prata e espectroscopia Raman é comparada com métodos convencionais de detecção de glifosato, como a cromatografia iônica (ICS) e a cromatografia líquida. A cromatografia iônica, embora apresente um limite de quantificação baixo (10 µg/L), possui um custo de equipamento extremamente elevado (R$ 10 milhões) e pouca disponibilidade de laboratórios habilitados. Já a cromatografia líquida exige derivatização da amostra, aumentando a complexidade e o custo do processo. Esses métodos, considerando o grande volume de amostras a serem analisadas (mais de 100.000 por mês no Paraná, segundo Góes, 2018), demonstram ineficiência em termos de tempo e custo por amostra. A metodologia proposta visa superar essas limitações, oferecendo uma alternativa mais acessível e eficiente. A pesquisa discute a influência do pH da solução na detecção, mostrando a importância da otimização deste parâmetro para alcançar a máxima eficiência da técnica.

O texto inicia apresentando dados alarmantes sobre intoxicações por agrotóxicos no Brasil. Entre 2007 e 2014, foram registrados 34.147 casos, com 6.099 apenas no Paraná, segundo o SINAN (2014). Esses números ilustram a gravidade do problema e a necessidade de pesquisas que visem à compreensão dos efeitos desses compostos na saúde humana e no meio ambiente. O estudo cita o aumento da preocupação com os danos agudos e crônicos causados pelos agrotóxicos na comunidade científica, destacando a contaminação de aquíferos, especialmente por organofosforados. Essa contaminação está associada ao desenvolvimento de neoplasias e problemas nos sistemas nervoso, endócrino e reprodutor humano (Carvalho, 2003). A apresentação desses dados serve como base para a contextualização da importância da pesquisa sobre métodos eficazes de detecção de herbicidas, como o glifosato, que contribuam para a segurança da população e a preservação do meio ambiente.

Para enfatizar a gravidade dos impactos da utilização de agrotóxicos, o texto menciona desastres ambientais históricos. A I Conferência das Nações Unidas sobre o Ambiente Humano, em Estocolmo (1972), é mencionada como um marco na crescente preocupação com a questão ambiental. Doze anos depois, o desastre de Bhopal, na Índia, resultou em graves consequências ambientais, 4.000 mortes e 200.000 casos de efeitos crônicos decorrentes do vazamento de 40 toneladas de gases tóxicos usados na fabricação de agrotóxicos (BBC, 2014). O caso de Minamata, Japão (1956), onde o descarte de mercúrio por uma indústria química causou 887 mortes, também é citado, ilustrando as consequências de longo prazo da poluição industrial relacionada à produção de agrotóxicos. A publicação de "Primavera Silenciosa", de Rachel Carson (1962), é destacada como um alerta profundo sobre os danos causados pelo uso de pesticidas sintéticos, os impactos do crescimento dos sistemas capitalistas e a necessidade de respeito ao ecossistema para a proteção da saúde humana e do meio ambiente (Carvalho, Nodari, Nodari, 2015).

A seção discute a carcinogenicidade do glifosato, citando estudos da IARC (2010) e da Revista The Lancet Oncology (2015). Um caso emblemático é a condenação da Monsanto, em agosto de 2018, na Califórnia, a pagar US$ 289 milhões a Dewayne Johnson, devido a um linfoma não-Hodgkin atribuído ao contato com o herbicida Roundup™, cuja formulação inclui surfactante polioxietileno-amina, ácidos orgânicos de glifosato, sal de isopropilamina e água (The Guardian, 2018; Andriolli, 2011). Essa decisão judicial foi a primeira a reconhecer oficialmente a relação entre o glifosato e o câncer, e abriu caminho para outros 5.000 processos similares nos EUA. Na Europa, embora a licença de uso tenha sido renovada por mais 5 anos, o presidente francês Emmanuel Macron tentou banir a substância (BBC, 2018). O Brasil é apontado como o maior consumidor de agrotóxicos proibidos em outros países (Lazzari, 2017). Em 2018, o MPF (Ministério Público Federal) tentou suspender o uso do glifosato no Brasil, mas a liminar foi derrubada, com o Ministro da Agricultura afirmando que a proibição seria um desastre para a agricultura nacional (G1, 2018).

A ANVISA vem avaliando a toxicidade do glifosato desde 2008. Em 2013, a Fiocruz, contratada para realizar análises toxicológicas, concluiu que as evidências sobre a carcinogenicidade não eram suficientes para proibir o herbicida. No entanto, novas análises foram conduzidas em 2017, incluindo estudos de toxicidade aguda, subcrônica e crônica, culminando no Parecer Técnico de Reavaliação nº 19/2017/GGTOX/ANVISA (23/06/2017). Este parecer discutiu as definições de resíduos de glifosato. A discussão sobre a toxicidade do glifosato demonstra a complexidade e a necessidade contínua de avaliação e monitoramento da segurança deste herbicida, reforçando a importância do desenvolvimento de métodos de detecção eficazes e eficientes.

O documento discute as dificuldades na detecção de glifosato utilizando métodos tradicionais. A cromatografia líquida, por exemplo, apresenta a desvantagem de necessitar de uma etapa de derivatização pós-coluna. Essa etapa, realizada em meio alcalino e a temperaturas acima de 40°C, envolve a adição de um marcador (geralmente o o-ftaldeído) para a formação de um composto fluorescente mais estável, em presença de mercaptoetanol. Esse processo adicional aumenta a complexidade e o tempo de análise, tornando o método menos eficiente para análises em larga escala. A baixa solubilidade do glifosato em solventes orgânicos e a ausência de grupos cromóforos contribuem para a necessidade dessa etapa de derivatização, aumentando o custo e a complexidade do processo analítico, tornando-o pouco prático para o grande volume de amostras exigido em análise ambiental.

Como método alternativo à cromatografia líquida, a cromatografia iônica (ICS) é apresentada, com um limite de quantificação de 10 µg/L (CRL 0309, INMETRO, 2013b). Apesar da maior sensibilidade, a ICS apresenta uma desvantagem significativa: o custo extremamente alto do equipamento, estimado em R$ 10 milhões. Adicionalmente, o número reduzido de laboratórios habilitados para operar o equipamento representa um gargalo em termos de tempo e capacidade de processamento de amostras. Considerando o volume de amostras analisadas no Paraná (mais de 100.000 por mês), e o custo individual das análises de glifosato (R$ 60 a R$ 100 por amostra), a ICS se mostra inviável para um monitoramento amplo e regular. Essa análise demonstra a necessidade de um método alternativo mais acessível e eficiente para a detecção de glifosato, com maior capacidade de processamento de amostras e custo reduzido por análise.

O documento menciona a colorimetria UV-Vis como uma técnica utilizada para verificar a interação do glifosato com nanopartículas de prata. Góes (2018) utilizou essa técnica em conjunto com o espalhamento inelástico Raman com intensificação de superfície (SERS) para a detecção do herbicida, obtendo um limite estimado de detecção de cerca de 1,7 mg/L. Embora o estudo demonstre a dependência do crescimento do sinal da banda em 1800 cm⁻¹ do espectro Raman com o aumento da concentração de glifosato, essa banda não é exclusiva do herbicida, sendo atribuída às vibrações moleculares da ligação C=O. A utilização da colorimetria UV-Vis em conjunto com a espectroscopia Raman com intensificação de superfície é apresentada como uma alternativa, mas a análise ressalta a limitação da técnica em relação à especificidade e sensibilidade, necessitando de um método mais preciso e com menor limite de detecção para atender às demandas de análise em larga escala.

A nanotecnologia é apresentada como um meio alternativo para a detecção de poluentes ambientais, devido ao aumento de sensibilidade, redução de custos e de processamento de amostras (Wei, Abtahi, Vikesland, 2015). Neste trabalho, nanopartículas de prata são sintetizadas por ablação a laser, um método que libera íons de prata (Ag+) em solução na presença de oxigênio. O processo de aglomeração, ou coalescência, desses íons é estabilizado pela adição de citrato de sódio, que atua como agente estabilizante e redutor. A formação das nanopartículas ocorre através da nucleação, interrompida quando a concentração de íons de prata fica abaixo da saturação do sistema. As partículas então continuam crescendo até atingirem um tamanho nanométrico estável (Brito-Silva, 2011). A influência de parâmetros como a concentração de citrato de sódio, peróxido de hidrogênio, temperatura ambiente, tempo de ablação, energia de pulso e frequência do laser na síntese e nas propriedades das nanopartículas é investigada e analisada.

O processo de fotoconversão de nanoesferas de prata em nanoprismas é detalhado. Durante a aglomeração das nanopartículas, os ânions citrato se depositam em sítios específicos nas bordas das nanopartículas, estabilizando-as e permitindo a deposição de nanopartículas menores (sementes, 2-4 nm e LSPR com comprimento de onda até 395 nm). Essas sementes são cruciais para o crescimento dos nanoprismas, devido ao processo de oxirredução necessário. Nanopartículas maiores que 4 nm têm alto potencial de oxirredução, dificultando sua oxidação/redução. Segundo Langille, Personick e Mirkin (2013), a formação dos prismas ocorre em três etapas: nucleação das nanopartículas sementes, crescimento de pequenos nanoprismas a partir da deposição das sementes nas nanoesferas (5-10 nm e LSPR de 396-400 nm) e conversão total, resultando em nanoprismas em solução. Para uma conversão eficaz, são necessários cinco componentes: uma fonte de Ag+, oxigênio, citrato de sódio, nanopartículas sementes e luz visível. A mudança de formato e tamanho resulta em diferentes comprimentos de onda de absorção, sendo que nanopartículas maiores apresentam picos de absorção deslocados para o vermelho (Langille, Personick, Mirkin, 2013).

As soluções coloidais de nanopartículas de prata apresentam oscilações na frequência de Ressonância de Plasmon de Superfície Localizado (LSPR), propriedades relacionadas a fenômenos quânticos e à alta relação área/volume desses materiais (Cavalcante, 2009; Saade, 2013). A estabilidade do colóide é explicada pela teoria DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek), que descreve as interações eletromagnéticas: dupla camada de cargas (repulsiva) e forças de van der Waals (atrativas) (Jafellicci, Varanda, 1999; Bragança, 2008). A adição de sais, como o citrato de sódio, promove estabilização eletrostática, formando uma bicamada iônica que envolve a partícula (camada de Stern e camada difusa), um fenômeno conhecido como capeamento, resultando em potenciais de superfície, de Stern e zeta (Bragança, 2008). A influência da concentração de citrato de sódio na síntese e estabilidade das nanopartículas é crucial, sendo investigada através de experimentos com diferentes concentrações, analisando o tamanho e a morfologia das nanopartículas obtidas via microscopia eletrônica de transmissão (MET) utilizando um microscópio JEOL, modelo 1200EX-II, com resolução de 0,5 nm.

A espectroscopia de absorção UV-Vis foi empregada para monitorar a síntese e a fotoconversão das nanopartículas de prata. A técnica baseia-se na interação da radiação com a matéria, medindo a intensidade da radiação transmitida após a passagem pela amostra. Um espectrofotômetro, composto por uma fonte de luz de banda larga, um monocromador para seleção de um comprimento de onda específico e um sensor, é utilizado para obter o espectro de absorção (Hollas, 2004). Neste estudo, a espectroscopia UV-Vis permitiu a observação dos deslocamentos nos picos de absorção das nanopartículas, refletindo mudanças em seu tamanho e forma durante os processos de ablação a laser e fotoconversão. A análise da densidade óptica e o comprimento de onda de pico forneceram informações importantes sobre a evolução das nanopartículas, permitindo otimizar o processo de síntese e fotoconversão para obter as características desejadas para maximizar a detecção do glifosato na etapa subsequente de espectroscopia Raman.

A espectroscopia Raman, particularmente o efeito SERS (espectroscopia Raman intensificada pela superfície), foi a técnica principal para a detecção do glifosato. O efeito SERS, que aumenta a intensidade do sinal Raman em fatores de 10⁴ a 10¹⁵ vezes, foi explorado utilizando as nanopartículas de prata sintetizadas. A técnica se baseia na interação do analito (glifosato) com superfícies metálicas especialmente preparadas, potencializando o sinal a partir de vibrações moleculares (Strobbia et al., 2015). A análise dos espectros Raman permitiu identificar bandas características do glifosato, principalmente em nanoestruturas triangulares e hexagonais, com uma relação sinal-ruído superior às obtidas com nanoestruturas esféricas. A análise da intensidade das bandas, em conjunto com a observação dos deslocamentos nos comprimentos de onda dos picos de absorção, forneceu informações crucial para quantificação e otimização do método de detecção.

A otimização da metodologia de detecção envolveu a avaliação da influência do pH da solução na interação entre as nanopartículas e o glifosato. Os resultados mostraram que a melhor interação ocorreu em pH = 4, com uma intensidade de sinal SERS significativamente maior do que em pH = 2. Essa diferença foi atribuída a um processo redutivo de destruição das nanopartículas em pH muito ácido. Em pH=4, observou-se o aparecimento de uma banda na região de 1806 cm⁻¹ no espectro SERS, também observada por Góes (2018) e Costa (2012), atribuída às vibrações da ligação C=O do grupo carboxílico do glifosato (regiões de 1680-1820 cm⁻¹). Entretanto, essa banda não é exclusiva do glifosato. A amplitude do sinal Raman foi determinada pela relação entre as intensidades das bandas do analito (ΔS) e da água (ΔA), calculada da intensidade do pico até a base da banda espectral. A análise UV-Vis, apesar de não ser utilizada diretamente para detecção, foi importante para otimizar a interação das nanopartículas com o analito, fornecendo informações sobre a concentração e a estabilidade das nanopartículas em diferentes condições experimentais.

O trabalho conclui com sucesso o desenvolvimento de uma metodologia para a síntese de nanopartículas de prata e sua posterior fotoconversão de nanoesferas para outras formas geométricas. Foram analisados diversos parâmetros, incluindo a concentração de citrato de sódio (agente estabilizante e redutor), a concentração de peróxido de hidrogênio, a temperatura ambiente, o tempo de ablação a laser, a energia de pulso e a frequência do laser. A pesquisa demonstrou que concentrações maiores de citrato de sódio resultam em um processo de fotoconversão mais eficiente, porém com uma intensificação do sinal Raman menor quando testado com rodamina 6G. Este efeito é atribuído à maior estabilização das nanopartículas em solução, reduzindo sua interação com o analito. A otimização desses parâmetros permitiu a obtenção de nanopartículas com características adequadas para a aplicação na detecção de glifosato via espectroscopia Raman, principalmente as nanopartículas com formatos prismáticos, que mostraram resultados superiores em relação à intensificação do sinal.

Os resultados da espectroscopia Raman, utilizando rodamina 6G como analito, mostraram uma intensificação de sinal superior para as nanoestruturas de prata prismáticas e hexagonais (com concentração de 0,1 mM de citrato de sódio) em comparação com as nanopartículas esféricas. Este comportamento é atribuído à concentração dos campos eletromagnéticos nas bordas afiadas dessas estruturas e à sintonização das ressonâncias plasmônicas, mais próxima do comprimento de onda de bombeamento do laser utilizado (638 nm). A diferença na intensificação do sinal Raman entre as diferentes formas de nanopartículas demonstra a importância da otimização da morfologia das nanopartículas para melhorar a sensibilidade e a eficiência do método de detecção, resultando em maior relação sinal-ruído e consequentemente maior facilidade na detecção do analito em baixas concentrações.

O estudo conclui com o desenvolvimento de uma metodologia eficiente para a detecção de glifosato em água, utilizando a espectroscopia Raman com nanopartículas de prata. A fotoconversão das nanoesferas em nanoprismas mostrou-se crucial para a intensificação do sinal SERS. A análise UV-Vis se mostrou útil para monitorar o processo de síntese e fotoconversão das nanopartículas, mas seu uso como sensor colorimétrico para a detecção de glifosato é limitado, pois não apresenta especificidade suficiente. A metodologia proposta apresenta vantagens em relação a métodos tradicionais, como a cromatografia iônica, devido ao custo e tempo de análise reduzidos, o que é particularmente importante considerando o grande volume de amostras requeridas em monitoramentos ambientais. Apesar da eficácia demonstrada, o trabalho destaca a necessidade de futuras pesquisas para aperfeiçoar o método e explorar suas aplicações em diferentes matrizes e concentrações de glifosato.