Biossensor eletroquímico

Biosensores eletroquímicos exploram as propriedades naturais de redox de muitos processos biológicos, como a catálise enzimópica e outros eventos vinculativos. Sensores eletroquímicos utilizam eletrodos que muitas vezes são funcionalizados com enzimas ativas redox. Quando a molécula alvo está envolvida em uma reação com a enzima, o ganho ou perda de elétrons é medido e relacionado à concentração. Neste vídeo, vamos rever os princípios do sensor eletroquímico e descrever o básico de um sensor eletroquímico exemplo, o biosensor de glicose no sangue.

Primeiro, vamos nos aprofundar nos conceitos gerais por trás de um biosensor eletroquímico. Como células eletroquímicas clássicas, esses sensores são normalmente compostos de três eletrodos: o eletrodo de trabalho, o eletrodo de contador e o eletrodo de referência. A reação ocorre no eletrodo de trabalho, enquanto o eletrodo do contador completa o circuito. O eletrodo de referência fornece um ponto de referência estável para o potencial redox. Os materiais de eletrodos são escolhidos com base no tipo de sensor, no analito a ser detectado e na técnica de medição utilizada. A fim de aumentar a especificidade da molécula alvo, o elemento biorecognição, como enzimas complementares, anticorpos ou DNA monofante, é imobilizado na superfície dos eletrodos e usado para capturar a molécula alvo correspondente. Em seguida, é aplicado um sinal elétrico, o que resulta na redução ou oxidação da meta. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, que é detectado. Agora, usando a clássica célula de três eletrodos como exemplo, vamos dar uma olhada em como os sensores eletroquímicos medem este evento redox.

Os sistemas eletroquímicos são divididos em diferentes categorias: amperométrica, potencialiométrica e impedimétrica com base no tipo de sinal de saída medido. Dispositivos amperométricos medem a mudança nas correntes entre os eletrodos de trabalho e do contador quando a tensão é conhecida. A entrada de tensão é mantida em um valor constante ou como uma rampa linear ou é continuamente pedalada entre dois valores. A oxidação ou redução da mudança de corrente medida é diretamente proporcional à concentração de analitos. Para obter mais informações sobre esta técnica, consulte nosso vídeo de voltammetry cíclico.

Dispositivos potencialiométricos medem a mudança de tensão entre o eletrodo de trabalho e referência em uma corrente constante. A concentração da solução pode então ser calculada usando a mudança no potencial.

Por fim, os dispositivos impedimétricos medem a mudança na condutividade elétrica da solução analito. Medindo a mudança de corrente entre os eletrodos de trabalho e do contador ao longo do tempo em uma frequência de tensão de entrada conhecida de A/C. A partir dessa corrente em tensão, calcula-se a impedância da solução analito. Essa impedância diminui quando a condutividade elétrica da solução analito aumenta e aumenta quando a condutividade elétrica da solução analito diminui.

Tendo visão geral dos princípios e dos diferentes tipos de sensor eletroquímico, vamos agora olhar para o funcionamento de um biosensor eletroquímico, o sensor de glicemia portátil como exemplo. O teste doméstico atual nos níveis de açúcar no sangue é realizado usando eletrodos que são impressos em tiras descartáveis. Essas tiras de eletrodos, ou circuitos, são então revestidas com a camada enzimante e mediadora, uma camada de pavio líquido e uma película protetora de circuito, todas mantidas juntas por folhas adesivas finas e espaçadores. A camada de pavio líquido da tira ajuda a separação das células sanguíneas para que apenas o soro sanguíneo atinja a enzima e os eletrodos cobertos pelo mediador. Finalmente, é aplicada uma tensão entre os eletrodos, o que desencadeia a reação redox mediadora da enzima glicose na camada imobilizada mediadora-enzima. A glicose no soro sanguíneo é convertida em ácido glucônico, reduzindo a glicose enzimática oxidase. A enzima reduzida reverte ao seu estado oxidado perdendo os elétrons para a molécula mediadora, reduzindo assim o mediador. Agora, este mediador reduzido age como um transporte para os elétrons entre a camada mediadora-enzima e a camada eletrodo abaixo dela;  ele perde os elétrons na superfície dos eletrodos e fica oxidado, gerando corrente no eletrodo. Esse aumento atual, medido com um determinado potencial, é diretamente proporcional à concentração de glicose na amostra.

Depois de revisar a eletroquímica da glicose oxidase, vamos dar uma olhada rápida no sensor de glicose que está sendo usado em um paciente. O sangue para este teste é coletado usando uma lança de segurança. Em seguida, o sangue coletado é cuidadosamente visto na área de coleta de sangue da tira descartável para testes precisos. O medidor de glicose conta os elétrons depositados pelo mediador nos eletrodos como corrente e, em seguida, calcula quanta glicose foi necessário para gerar tanta eletricidade. O medidor de glicose então exibe esse número em sua tela.

Agora que cobrimos os princípios e procedimentos por trás dos sensores de glicose no sangue, vamos ver como as pesquisas estão aplicando biosenso eletroquímicos em alguns outros campos. O sensoriamento eletroquímico também pode ser usado para detectar câncer. Em um sistema de sensores, anticorpos específicos de proteína de câncer são imobilizados na superfície das contas magnéticas, que são incubadas na solução amostral, seguida por uma segunda solução de anticorpos detectores ativos redox que também é complementar ao alvo. As contas são então capturadas usando campos magnéticos em uma superfície de eletrodo, e medidas amperométricas são realizadas para detectar a concentração de proteína do câncer na amostra.

Finalmente, a eletroquímica também é usada com microrganismos para gerar energia, conhecidas como células de combustível bioelémicas. Os microrganismos são cultivados para formar um filme na superfície do ânodo ou cátodo da célula de combustível. As proteínas ativas redox nos micróbios participam das reações redox dos eletrodos, que geram elétrons e produzem energia que é aproveitada para outras aplicações.

Você acabou de ver o vídeo de Jove sobre biosensomia eletroquímica. Este vídeo continha uma visão geral básica dos princípios-chave dos biosensores eletroquímicos e explicou o funcionamento do sensor de glicose no sangue em detalhes. Por fim, ilustramos algumas aplicações reais de biosensomia eletroquímica. Obrigado por assistir.