Desenvolvimento de microssensores eletroquímicos e aplicações no estudo de processos dinâmicos interfaciais utilizando microscopia eletroquímica de varredura

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional.

Mapping soil organic carbon storage in deep soil horizons of Amazonian Podzols

The Podzols of the world are divided into intra-zonal and zonal according to then location. Zonal Podzols are typical for boreal and taiga zone associated to climate conditions. Intra-zonal podzols are not necessarily limited by climate and are typical for mineral poor substrates. The Intra-zonal Podzols of the Brazilian Amazon cover important surfaces of the upper Amazon basin. Their formation is attributed to perched groundwater associated to organic matter and metals accumulations in reducing/acidic environments. Podzols have a great capacity of storing important amounts of soil organic carbon in deep thick spodic horizons (Bh), in soil depths ranging from 1.5 to 5m. Previous research concerning the soil carbon stock in Amazon soils have not taken into account the deep carbon stock (below 1 m soil depth) of Podzols. Given this, the main goal of this research was to quantify and to map the soil organic carbon stock in the region of Rio Negro basin, considering the carbon stored in the first soil meter as well as the carbon stored in deep soil horizons up to 3m. The amount of soil organic carbon stored in soils of Rio Negro basin was evaluated in different map scales, from local surveys, to the scale of the basin. High spatial and spectral resolution remote sensing images were necessary in order to map the soil types of the studied areas and to estimate the soil carbon stock in local and regional scale. Therefore, a multi-sensor analysis was applied with the aim of generating a series of biophysical attributes that can be indirectly related to lateral variation of soil types. The soil organic carbon stock was also estimated for the area of the Brazilian portion of the Rio Negro basin, based on geostatistical analysis (multiple regression kriging), remote sensing images and legacy data. We observed that Podzols store an average carbon stock of 18 kg C m-2 on the first soil meter. Similar amount was observed in adjacent soils (mainly Ferralsols and Acrisols) with an average carbon stock of 15 kg C m-2. However if we take into account a 3 m soil depth, the amount of carbon stored in Podzols is significantly higher with values ranging from 55 kg C m-2 to 82 kg C m-2, which is higher than the one stored in adjacent soils (18 kg C m-2 to 25 kg C m-2). Given this, the amount of carbon stored in deep soil horizons of Podzols should be considered as an important carbon reservoir, face a scenario of global climate change

Identificação de padrões de uso do solo urbano em São Paulo/SP utilizando parâmetros de variogramas.

As imagens de alta resolução espacial impulsionaram os estudos de Sensoriamento Remoto em ambientes urbanos, já que elas permitem uma melhor distinção dos elementos que compõem esse ambiente tão heterogêneo. Técnicas de Geoestatística são cada vez mais utilizadas em estudos de Sensoriamento Remoto e o variograma é uma importante ferramenta de análise geoestatística, pois permitem entender o comportamento espacial de uma variável regionalizada, neste caso, os níveis de cinza de uma imagem de satélite. O presente trabalho pretende avaliar a proposta metodológica que consiste em identificar padrões residenciais urbanos de três classes de uso e ocupação do solo por meio da análise dos valores apresentados pelos parâmetros, alcance, patamar e efeito pepita de um variograma. A hipótese é que os valores correspondentes a esses parâmetros representem o comportamento espectral padrão de cada classe e, portando, indicam que há um padrão na organização espacial de cada uma das classes. Para a presente pesquisa foram utilizadas imagem IKONOS 2002, e a classificação de uso e ocupação do solo da sub-bacia do córrego Bananal na bacia do Rio Cabuçu de Baixo em São Paulo SP. Amostras das imagens de cada classe foram extraídas e os valores de nível de cinza em cada pixel foram utilizados para calcular os variogramas. Após análise dos resultados obtidos, apenas o parâmetro alcance foi levado em consideração, pois é através desse parâmetro que se observa o grau de homogeneidade de cada amostra. Os valores de alcance obtidos nos cálculos dos variogramas identificaram com melhor precisão a classe Conjuntos Residenciais que é uma classe com padrões e características singulares, já a identificação das classes Ocupação Densa Regular e Ocupação Densa Irregular não obteve uma precisão boa, sendo que essas classes são similares em diversos aspectos.

Desenvolvimento e caracterização do filtro óptico de interferência variável para detectores de alta resolução espectral e biossensores.

O presente trabalho está fundamentado no desenvolvimento de uma metodologia e/ou uma tecnologia de obtenção e caracterização de filtros ópticos de interferência de banda passante variável [C.M. da Silva, 2010] e de banda de corte variáveis, constituídos por refletores dielétricos multicamadas de filmes finos intercalados por cavidades de Fabry-Perot não planares com espessuras linearmente variáveis, que apresentam a propriedade do deslocamento linear da transmitância máxima espectral em função da posição, isto é, um Filtro de Interferência Variável (FIV). Este método apresenta novas e abrangentes possibilidades de confecção de filtros ópticos de interferência variável: lineares ou em outras formas desejadas, de comprimento de onda de corte variável (passa baixa ou alta) e filtros de densidade neutra variável, através da deposição de metais, além de aplicações em uma promissora e nova área de pesquisa na deposição de filmes finos não uniformes. A etapa inicial deste desenvolvimento foi o estudo da teoria dos filtros ópticos dielétricos de interferência para projetar e construir um filtro óptico banda passante convencional de um comprimento de onda central com camadas homogêneas. A etapa seguinte, com base na teoria óptica dos filmes finos já estabelecida, foi desenvolver a extensão destes conhecimentos para determinar que a variação da espessura em um perfil inclinado e linear da cavidade entre os refletores de Bragg é o principal parâmetro para produzir o deslocamento espacial da transmitância espectral, possibilitando o uso de técnicas especiais para se obter uma variação em faixas de bandas de grande amplitude, em um único filtro. Um trabalho de modelagem analítica e análise de tolerância de espessuras dos filmes depositados foram necessários para a seleção da estratégia do \"mascaramento\" seletivo do material evaporado formado na câmara e-Beam (elétron-Beam) com o objetivo da obtenção do filtro espectral linear variável de características desejadas. Para tanto, de acordo com os requisitos de projeto, foram necessárias adaptações em uma evaporadora por e-Beam para receber um obliterador mecânico especialmente projetado para compatibilizar os parâmetros das técnicas convencionais de deposição com o objetivo de se obter um perfil inclinado, perfil este previsto em processos de simulação para ajustar e calibrar a geometria do obliterador e se obter um filme depositado na espessura, conformação e disposição pretendidos. Ao final destas etapas de modelagem analítica, simulação e refinamento recorrente, foram determinados os parâmetros de projeto para obtenção de um determinado FIV (Filtro de Interferência Variável) especificado. Baseadas nos FIVs muitas aplicações são emergentes: dispositivos multi, hiper e ultra espectral para sensoriamento remoto e análise ambiental, sistemas Lab-on-Chip, biossensores, detectores chip-sized, espectrofotometria de fluorescência on-chip, detectores de deslocamento de comprimento de onda, sistemas de interrogação, sistemas de imageamento espectral, microespectrofotômetros e etc. No escopo deste trabalho se pretende abranger um estudo de uma referência básica do emprego do (FIV) filtro de interferência variável como detector de varredura de comprimento de ondas em sensores biológicos e químicos compatível com pós processamento CMOS. Um sistema básico que é constituído por um FIV montado sobre uma matriz de sensores ópticos conectada a um módulo eletrônico dedicado a medir a intensidade da radiação incidente e as bandas de absorção das moléculas presentes em uma câmara de detecção de um sistema próprio de canais de microfluidos, configurando-se em um sistema de aquisição e armazenamento de dados (DAS), é proposto para demonstrar as possibilidades do FIV e para servir de base para estudos exploratórios das suas diversas potencialidades que, entre tantas, algumas são mencionadas ao longo deste trabalho. O protótipo obtido é capaz de analisar fluidos químicos ou biológicos e pode ser confrontado com os resultados obtidos por equipamentos homologados de uso corrente.