Estudo da adsorção de brometo de etídeo em resina XAD-7

Study of ethidium bromide adsorption on XAD-7 resin

ethidium bromide; XAD-7 resin; adsorption isotherm

ARTIGO

Estudo da adsorção de brometo de etídeo em resina XAD-7

Study of ethidium bromide adsorption on XAD-7 resin

Mônica Winkler de Oliveira; Alexandre W. S. Hilsdorf; Astréa F. de Souza Silva; André Fernando Oliveira^*

Núcleo de Ciências Ambientais, Universidade de Mogi das Cruzes, Av. Cândido X. A. Souza, 200 08780-911 Mogi das Cruzes - SP, Brasil

ABSTRACT

The adsorption of ethidium bromide on XAD-7 resin was studied. The Freundlich model was the most representative isotherm model to describe the sorption behavior. A solid-liquid equilibrium model was proposed to explain the resin mass influence on the sorption. The equilibrium constant value estimated was 2.31. The results showed an ethidium bromide ion-pair physical adsorption, with adsorption enthalpy equals to -19.33 kJ/mol. A pK₂ value equals to 4.69 ± 0.01 was estimated by two distinct methods. The results will be applied to the ethidium bromide preconcentration aiming its decomposition.

Keywords: ethidium bromide; XAD-7 resin; adsorption isotherm.

INTRODUÇÃO

A Química Verde, um conceito importante atualmente, tem como preocupação o desenvolvimento de tecnologias e processos que levam em consideração os impactos à saúde humana e ao meio ambiente, por meio, por exemplo, da diminuição do uso e da geração de materiais perigosos, gerados pelos inúmeros produtos fundamentais à humanidade.¹

O brometo de etídeo (EtBr) é um composto derivado da fenantridina,² cujos equilíbrios ácido-base de Bronsted são apresentados na Figura 1, e muito utilizado em laboratórios de biologia molecular para corar ácidos nucléicos, pois, quando intercalado na estrutura de DNA, o sistema formado fluoresce com uma cor vermelho-alaranjado³ sob luz ultravioleta.^3,4 Desta maneira, este composto é um severo poluente devido à capacidade de se intercalar na estrutura do DNA, apresentando um elevado potencial mutagênico e carcinogênico.^3-5

Vários procedimentos são descritos para a destruição do brometo de etídeo, principalmente sua adsorção em carvão ativo seguida de incineração do conjunto,^6,7 enquanto que outros procedimentos incluem a destruição com agentes oxidantes e redutores,^2,4 como permanganato de potássio e hipoclorito de sódio. Alguns autores, entretanto, não recomendam essa prática, pois há indícios da produção de resíduos também tóxicos.⁴ Além disso, as baixas concentrações do brometo de etídeo nos resíduos também dificultam sua destruição.²

A XAD-7 é uma resina polimérica adsorvente composta por monômeros de éster-acrílico que possui polaridade intermediária. Tem sido usada para remover poluentes orgânicos de resíduos aquosos, para adsorver tanto materiais hidrofóbicos de água como materiais hidrofílicos de sistemas não-aquosos,⁸ assim como na pré-concentração de substâncias húmicas⁹ e metais, após adsorção de compostos quelantes.¹⁰

O estudo do comportamento do EtBr sobre XAD-7 é importante para o desenvolvimento de metodologia para pré-concentração desse composto, visando posterior destruição. Espera-se a adsorção deste cátion nesta resina neutra, através da formação de par iônico.¹¹ O objetivo deste trabalho foi, portanto, estudar o processo de adsorção do brometo de etídeo em resina XAD-7.

PARTE EXPERIMENTAL

Todos os reagentes utilizados foram de grau analítico e usou-se água deionizada em todos os experimentos. Os espectros de absorção foram obtidos em espectrofotômetro UV-visível Agilent 8453A com cubetas de quartzo com caminho óptico de 10 mm.

Solução de brometo de etídeo - (EtBr) (Merck) 1,23.10^-3 mol/L. As demais soluções de trabalho foram preparadas a partir dessa solução estoque por diluição.

Solução tampão universal - foi preparada uma solução contendo citrato 0,05 mol/L, fosfato 0,04 mol/L e ácido bórico 0,05 mol/L, cujo pH foi ajustado com HCl 4,8 mol/L. A força iônica foi corrigida com NaCl para o valor de 0,5 mol/L.

Pré-condicionamento da resina XAD-7 - para garantir a ausência de substâncias previamente adsorvidas à resina, uma massa de resina nova foi lavada com água deionizada e mantida em uma solução de HCl 0,12 mol/L, sob agitação magnética por 4 h. A solução foi filtrada e após a lavagem da resina, com água deionizada, foi mantida em uma solução de NaOH 0,1 mo/L (Synth) sob agitação magnética por mais 4 h. Após este tempo, a resina foi novamente lavada e mantida em água deionizada por uma noite. O tratamento foi finalizado mantendo-se a resina em metanol (J.T Baker) sob agitação por 4 h e depois de filtrada, seca em dessecador a vácuo.¹²

Procedimento

Para obtenção das isotermas utilizou-se 10 mL de cada solução de EtBr com concentrações de 10 a 100 µmol/L, em béqueres contendo diferentes massas de resina de 20 a 500 mg. As misturas foram mantidas em agitação magnética por 10 min e a concentração de EtBr em equilíbrio foi determinada no sobrenadante.

Os efeitos do pH e da temperatura na adsorção de soluto foram avaliados com variação no pH de 2,0 a 7,0 e da temperatura de 10 a 40 ºC, utilizando-se uma massa constante de 200 mg de resina.

A resina também foi avaliada em termos de retenção de prótons. Para este estudo, uma coluna contendo a resina foi percolada com 2 mL de ácido clorídrico 1 mol/L e lavada com água. Posteriormente pesou-se 500 mg dessa resina, colocou-se 5 mL de água e a mistura foi titulada com hidróxido de sódio 0,09 mol/L.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização e método de quantificação do brometo de etídeo

Para a determinação da concentração de brometo de etídeo na fase aquosa, optou-se pela espectrofotometria molecular. O espectro de absorção do composto apresenta 4 máximos de absorção em 213, 286, 317 e 480 nm.

Os valores de absortividades molares aparentes referentes aos comprimentos de onda citados foram determinados mediante curvas analíticas obtendo-se de 4,4.10⁴; 5,5.10⁴; 1,6.10⁴ e 5,9.10³ L/(mol cm), respectivamente, para 213, 286, 317 e 480 nm. Desta maneira, foi escolhido o comprimento de onda igual a 286 nm para o monitoramento da concentração de brometo de etídeo por apresentar a maior sensibilidade da curva analítica (Figura 2).

O comportamento do brometo de etídeo foi estudado em diversos valores de pH em tampão universal, conforme apresentado na Figura 3, a fim de compreender o seu comportamento ácido-base. Com o aumento do pH do meio, observa-se o aumento da banda na região de 213 nm e a diminuição em 226 nm devido à diminuição da concentração da espécie protonada. A elevação da linha base abaixo de 213 nm foi devida à presença do tampão universal.

A influência do pH no espectro é devido ao equilíbrio de transferência de prótons (equilíbrio ácido-base de Bronsted-Lowry). Pela análise da estrutura da molécula, é possível estimar dois sítios de protonação, ou seja, as aminas aromáticas, as quais apresentam, usualmente, valores de pKa menores que 5,0, mas, devido à conjugação na fenantridina, uma delas devem apresentar um valor algumas unidades mais baixo.¹³

Assim, os graus de dissociação foram então estimados, considerando-se um sistema pseudo-monoprótico e, portanto, utilizando-se a Equação 1 ¹⁴

onde α_i é o grau de dissociação para a espécie a espécie 'i'; A_j é a absorbância no comprimento de onda (205 e 226 nm) para o pH igual a j; A_max, a maior absorbância medida nesse comprimento de onda no pH onde se supõe que o grau de dissociação seja igual a 1 e, B é o valor do branco nesse mesmo comprimento de onda.

A partir dos dados experimentais, onde é observado apenas um equilíbrio ácido-base, considera-se que o próton removido nessa faixa de pH corresponde ao segundo próton ionizável do composto (associado ao segundo pKa do composto), devido à elevada acidez do primeiro sítio de protonação, como já discutido.

Desta maneira o pK₂ foi estimado por dois métodos distintos (Figura 4). O primeiro, utilizando a forma logarítmica da equação da constante de acidez (Equação 2)

onde α₁ e α₂ são, respectivamente, os graus de dissociação da espécie protonada e com um próton a menos. Foi verificado o comportamento linear da Equação 2 sendo, então, o pKa estimado de 4,69 ± 0,01 estimado por regressão linear (Figura 4).

Para a estimativa do pKa foi também testado um método não-linear sigmoidal (sigmóide de Boltzmann) para a curva de α₂ em função do pH (Figura 4). Este método é útil para determinar o pKa em sistemas cuja resposta analítica (R) é função apenas de uma espécie do equilíbrio ácido - base pela Equação 3

onde R_o é uma componente constante da resposta que não é influenciada pelo pH e R_i é a resposta da espécie que influencia o sistema. Assim, considerando-se um sistema pseudomonopróticos, o grau de dissociação pode ser calculado pela Equação 4.

Assim, foram obtidos os parâmetros para o modelo não-linear apresentado na Equação 5, com auxílio do software Microcal Origin 6.0

onde os termos A₁ e A₂ devem diferir por uma unidade, sendo o segundo igual à absorbância da solução na condição em que o grau de dissociação do composto é igual a 0, ou seja, o valor do branco. O valor estimado do expoente x_o é igual ao pKa, fixando-se o termo dx igual a 1/ln(10), ou seja, 0,43429. O valor de pKa obtido foi igual a 4,69 ± 0,05. Este último método é mais interessante, pois não exige que a resposta seja obtida em um grande intervalo de pH.

A importância da determinação dos valores de pKa de um sistema químico em qualquer estudo em solução (principalmente em solução aquosa) é a compreensão do comportamento das espécies desse sistema em solução.

Estudos de adsorção

No estudo das isotermas do brometo de etídeo adsorvido em resina XAD-7, utilizaram-se diferentes massas da resina e o valor do pH das soluções foi mantido em 7,0, valor em que as aminas estão desprotonadas. A partir das medidas de absorbância (em 286 nm), realizadas após o tempo de agitação e repouso, foram calculadas as quantidades de brometo de etídeo adsorvidas. É importante ressaltar que os valores de pH das soluções foram sempre ajustados para o mesmo valor antes das medidas de absorbância (isto é, igual 4,0) para garantir o mesmo comportamento do sistema em relação à curva analítica.

O modelo de Langmuir não se mostrou adequado para os resultados obtidos. Foi estudado o modelo da isoterma de Freundlich (Equação 6) o qual apresentou um comportamento linear em todas as condições estudadas, como pode ser observado na Figura 5.

onde K_f é capacidade de adsorção e 1/b é intensidade de adsorção. Esses parâmetros foram obtidos por regressão linear da curva de linearização (Equação 7) e são apresentados na Tabela 1.

Assim, a inclinação (1/b) não diferiu significativamente da unidade, ao nível de 95% de confiança,¹⁵ para todas as condições experimentais estudadas. Desta maneira, a isoterma de Freundlich é chamada "linear",¹⁶ ou tipo constant partition.¹⁷

O coeficiente de adsorção Kf permite identificar a capacidade do adsorvente em reter um soluto; pode ser entendido como uma medida da distribuição de equilíbrio entre as fases líquida e sólida.¹⁸ Os valores apresentados na Tabela 1 sugerem interações de natureza dispersiva (forças de London).¹⁹

Ainda que o modelo de Freundlich seja usualmente tratado como empírico, para racionalizar os resultados tomou-se por base um modelo de equilíbrio de adsorção sólido-líquido, considerando-se o par-iônico do brometo de etídeo

quantitativamente definido pela constante de equilíbrio K_s e pelo balanço de matéria,

onde n é a quantidade de matéria de brometo de etídeo, os sub-índices R e aq se referem às fases resina e aquosa, respectivamente. C_T é a concentração total de brometo de etídeo inicialmente na fase aquosa antes de estar em contato com a resina isenta desse composto.

As Equações 9 e 10 podem ser rearranjadas para estabelecer a relação entre a concentração de brometo de etídeo adsorvido e a sua concentração total no sistema.

Assim, a Equação 11 é uma expressão clássica da Equação de Freundlich linear, se pH, temperatura e força iônica são mantidos constantes. É interessante observar que o modelo utilizado é análogo ao equilíbrio de partição.²⁰

A relação do termo linear com a massa de resina pode ser obtida a partir da Equação 7.

Na Figura 6 é apresentado o gráfico da recíproca dos termos lineares da Equação logarítmica de Freundlich e a massa de resina, com valores apresentados na Tabela 1. Observando o comportamento linear previsto na Equação 12, estimou-se a constante de equilíbrio de adsorção condicional K_s em 2,31 L/mg a 25 ºC.

As isotermas de Freundlich em diferentes temperaturas foram estudadas e a entalpia de adsorção foi obtida mediante o gráfico de ln K_f versus 1/T (Figura 7) e através da Equação de van't Hoff (Equação 13). Utilizando-se dos valores de K_f obtidos (Tabela 2), estimou-se a entalpia de adsorção em -19,7 ± 1,1 kJ/mol. Isto significa que a adsorção é um processo exotérmico, ou seja, o valor de K_f tende a diminuir à medida que a temperatura se eleva.²¹ Além disso, esse valor é compatível com aqueles processos relacionados a uma adsorção física.²²

A fim de avaliar a presença de grupos carboxílicos residuais na resina devido à eventual hidrólise dos ésteres acrílicos, a qual poderia então atuar como uma resina aniônica fraca, uma massa de resina foi titulada com NaOH após ter sido eluída com HCl 1,0 mL e lavada com água. Não foram observados nenhuma desprotonação nem ponto de equivalência, de maneira que é razoável considerar a resina realmente neutra.

No estudo de adsorção em soluções com diferentes valores de pH, não foram observadas variações significativas na adsorção, o que poderia ser atribuído ao fato de não haver a formação de cargas na resina ou no composto e a adsorção ser mesmo de natureza física, onde o adsorbato se encontra ligado à superfície por forças de van der Waals.²² Com essas evidências, sugere-se que esteja havendo a adsorção do par-iônico brometo de etídeo e não apenas do cátion. A estabilidade do par iônico está relacionada à grande polarizabilidade do ânion e ao tamanho do cátion.²³

CONCLUSÕES

O comportamento do brometo de etídeo em solução foi caracterizado com auxílio da determinação do pK₂ utilizando-se dois métodos distintos para esse cálculo. O valor obtido foi concordante entre ambos e igual a 4,69 ± 0,01. A isoterma linear de Freundlich mostrou-se adequada para explicar a adsorção de EtBr sobre a resina XAD-7 e um modelo de equilíbrio sólido-líquido foi aplicado para esclarecer a influência da massa de resina sobre a adsorção. A constante de equilíbrio envolvida foi também estimada e com um valor igual a 2,31. O pH da solução não influenciou significativamente o sistema, enquanto que com o aumento da temperatura se determinou a entalpia de adsorção da ordem de -19,33 kJ/mol, que indica adsorções por interações físicas apenas.

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Recebido em 3/4/08; aceito em 16/12/08; publicado na web em 11/5/09

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  30 Jul 2009
• Data do Fascículo
  2009

Histórico

• Aceito
  16 Dez 2008
• Recebido
  03 Abr 2008