biossensores enzimáticos

Janaina Cecília Oliveira Villanova Disciplina: Bioconjugados, Biossensores e Bioeletrônica

Prof. Dr. Herman Sander Mansur

Faculdade de Engenharia Metalúrgica e de Minas Universidade Federal de Minas Gerais

Área de concentração - Ciência e Engenharia de Materiais -

Biossensores enzimáticos:

estado da arte

Belo Horizonte2009

http://www.demet.ufmg.br/

O que é um biossensor?

Dispositivo analítico, ao qual se encontra acoplada uma entidade de reconhecimento, biológica ou biologicamente derivada, integrada ou associada a um transdutor físico-químico.

Entidade biológica elemento de biorreconhecimento, responsável pela detecção do analito;

Transdutor conversão do estímulo em forma mensurável de energia.

O que é um biossensor?

Características gerais

Compactos; Portáteis ou não; Implantáveis ou não; Respondem em tempo real ou em curto

espaço de tempo; Requerem manipulação mínima da amostra; Fácil manuseio; Caros.

Atributos requeridos

Seletividade / especificidade;

Sensibilidade;

Linearidade;

Reprodutibilidade;

Limite de detecção e quantificação;

Robustez;

Estabilidade;

Capacidade de miniaturização.

Possibilidades de aplicação

Médica monitoramento das condições de pacientes portadores de problemas crônicos; Biomédica diagnósticos rápidos e precisos, em tempo real; Alimentícia detecção de contaminantes químicos, biológicos e toxicológicos;Farmacêutica screening de fármacos, análise de insumos farmacêuticos e produtos acabados, monitoramento in vivo da ação de fármacos e toxinas;Ambiental monitoramento da contaminação em águas, resíduos industriais e emissão de gases poluentes;

Biotecnológica otimização do bioprocesso

para obtenção de biocombustível;

Militar detecção de toxinas e patógenos no

combate do bioterrorismo;

Agricultura detectar e quantificar

patógenos bacterianos e virais, definindo

posições com auxílio de sistema de

posicionamento global (GPS). Detectar

pesticidas em alimentos e no solo;

Pecuária detecção de fármacos residuais

em animais destinados ao consumo como

alimentos.

Possibilidade de aplicação

Componentes do biossensor

Elemento de biorreconhecimento afinidade, enzimático, híbrido;

Tipo de transdução elétrico, eletroquímico, óptico, térmico, piezoelétrico, magnético.

Classificação

Biorreceptores e métodos de transdução para biossensores. Adaptado de: MORRISON et al., 2007.

Elemento de biorreconhecimento enzimas; Fundamento catálise; 1º biossensor enzimático foi desenvolvido por

Clark, em 1959 e descrito em 1962.

Biossensor enzimático

1918 - 2005


The Clark Oxygen

Polarograph Electrode.

Patent Pending Document,

May 1956.

Enzimas especificidade;

Atividade catalítica atuam em meio aquoso,

em condições ótimas de temperatura e pH .



Enzima imobilizada

catálise do substrato;

Transdutor monitorar

o desaparecimento de

algum reagente ou o

aparecimento de algum

produto da reação entre

o biorreceptor e o

substrato em análise;

Cossubstratos

eletroativos H2O2, CO2,

NH3, O2, ácidos.

Imobilização física ou química


Fator crítico imobilização do receptor na superfície do transdutor;Ligação estável, durável e não comprometer a especificidade do receptor pelo analito.

Imobilização via grupo funcional específico: hidroxilas (-OH), carbonilas (C=O), carboxilas (COOH) e aminas primárias (NH2).


Fator crítico dependência de espécies

eletroativas;

Solução presença de mediadores capazes de

extrair os elétrons do centro catalítico e

transferi-los diretamente aos eletrodos, gerando

um circuito elétrico;

Material do eletrodo e/ou de revestimento

condução:

Polímeros;

Polímeros condutores eletroativos

(EPC’s): PANI, Nafion®, polipirrol;

Compósitos: carbono e sílica.


Biossensores enzimáticos de 1ª geração

(a), 2ª geração (b) e 3ª geração (c).


Eletrodos quimicamente modificados

PEREIRA, A.C.; SANTOS, A.S.; KUBOTA, L.T. Tendências em modificação de eletrodos amperométricos para aplicações

eletroanalíticas . Química Nova, v.25, n.6, p.1012-1021, 2002.


Auto-organização de camadas moleculares em uma superfície de ouro (Au).Fonte: http://www.ifm.liu.se/applphys/ftir/sams.html

Self-assembly (auto-organização)


Monitoramento do analito:

1. Detecção da redução de cossubstratos

consumíveis;

2. Detecção do aumento de espécies eletroativas

produzidas;

3. Detecção na evolução do estado redox do

biocatalizador;

4. Transferência direta de elétrons entre o sítio

ativo da enzima e o transdutor.

Inibição enzimática reversível e reversível;Análise de pesticidas e substâncias tóxicas.


Exemplos de

enzimas

imobilizadas em

biossensores

Determinação de compostos fenólicos

ROSATTO, S.S. et al. Biossensores amperométricos para determinação de compostos fenólicos em amostras de interesse ambiental. Química Nova, v.24, n.1, p.77-86, 2001.

Determinação de dicarbamatos

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Determinação de colesterol

MARTINS, M. Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool

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Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p.

Determinação de stress oxidativo

ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001.

Determinação de L-lactato

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VII. Considerações finais

BioMEMS (Biomedical or Biological Micro-Electro-Mechanical Systems) dispositivos construídos em micro ou nanoescala, empregados para processar, liberar, manipular ou analisar entidades químicas e biológicas; Áreas afins bioinformática, engenharia de materiais, bioquímica, medicina, química, física e bioeletrônica;Estratégias novos materiais, mediadores e técnicas de imobilização.


Monitoramento em tempo real

PEJCIC, B.; MARCO, R.; PARCKINSON, G. The role of biosensors in the detection of emerging infectious diseases. RSC, v.131, p.1079-1090, 2006.


Resposta em tempo real

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