1: Biossensor eletroquímico

Os biossensores eletroquímicos exploram as propriedades redox naturais de muitos processos biológicos, como catálise enzimática e outros eventos de ligação. Os sensores eletroquímicos utilizam eletrodos que geralmente 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, revisaremos os princípios da detecção eletroquímica e, em seguida, descreveremos os fundamentos de um exemplo de sensor eletroquímico, o biossensor de glicose no sangue.

Primeiro, vamos nos aprofundar nos conceitos gerais por trás de um biossensor eletroquímico. Como as células eletroquímicas clássicas, esses sensores são normalmente compostos por três eletrodos: o eletrodo de trabalho, o contra-eletrodo e o eletrodo de referência. A reação ocorre no eletrodo de trabalho, enquanto o contra-eletrodo completa o circuito. O eletrodo de referência fornece um ponto de referência estável para o potencial redox. Os materiais dos eletrodos são escolhidos com base no tipo de sensor, no analito a ser detectado e na técnica de medição usada. Para aumentar a especificidade da molécula-alvo, o elemento de biorreconhecimento, como enzimas complementares, anticorpos ou DNA de fita simples, é imobilizado na superfície dos eletrodos e usado para capturar a molécula-alvo correspondente. Em seguida, um sinal elétrico é aplicado, o que resulta na redução ou oxidação do alvo. 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 esse evento redox.

Os sistemas eletroquímicos são divididos em diferentes categorias: amperométrico, potenciométrico e impedimétrico com base no tipo de sinal de saída medido. Os dispositivos amperométricos medem a mudança nas correntes entre os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos quando a tensão é conhecida. A entrada de tensão é mantida em um valor constante ou como uma rampa linear ou é continuamente alternada entre dois valores. A variação da corrente de oxidação ou redução medida é diretamente proporcional à concentração da substância a analisar. Para obter mais informações sobre esta técnica, consulte nosso vídeo de voltametria cíclica.

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

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

Tendo analisado os princípios e os diferentes tipos de sensoriamento eletroquímico, vejamos agora o funcionamento de um biossensor eletroquímico, o sensor portátil de glicose no sangue como exemplo. Os testes caseiros atuais sobre os níveis de açúcar no sangue são realizados usando eletrodos serigrafados em tiras descartáveis. Essas tiras de eletrodos, ou circuitos, são então revestidas com a camada enzimática e mediadora, uma camada de absorção de líquido e uma película protetora de circuito, todas mantidas juntas por finas folhas adesivas e espaçadores. A camada de absorção de líquido da tira ajuda na separação das células sanguíneas para que apenas o soro sanguíneo atinja os eletrodos cobertos por enzimas e mediadores. Finalmente, uma voltagem é aplicada entre os eletrodos, o que desencadeia a reação redox do mediador da enzima glicose na camada mediadora-enzima imobilizada. A glicose no soro sanguíneo é convertida em ácido glucônico enquanto reduz a enzima glicose oxidase. A enzima reduzida reverte ao seu estado oxidado perdendo os elétrons para a molécula mediadora, reduzindo assim o mediador. Agora, esse mediador reduzido atua como um transportador para os elétrons entre a camada mediador-enzimática e a camada de eletrodo abaixo dela;? Ele perde os elétrons na superfície dos eletrodos e se oxida, gerando corrente no eletrodo. Esse aumento de corrente, medido em um determinado potencial, é diretamente proporcional à concentração de glicose na amostra.

Tendo revisado 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 lanceta de segurança. Em seguida, o sangue coletado é cuidadosamente localizado 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 necessária para gerar essa quantidade de eletricidade. O medidor de glicose exibe esse número em sua tela.

Agora que abordamos os princípios e procedimentos por trás dos sensores de glicose no sangue, vamos ver como as pesquisas estão aplicando o biossensoriamento eletroquímico em alguns outros campos. A detecção eletroquímica também pode ser usada para detectar câncer. Em um sistema de sensor, os anticorpos específicos da proteína do câncer são imobilizados na superfície das esferas magnéticas, que são incubadas na solução da amostra, seguidas por uma segunda solução de anticorpo detector ativo redox que também é complementar ao alvo. As esferas são então capturadas usando campos magnéticos na superfície de um eletrodo e medições amperométricas são realizadas para detectar a concentração de proteína cancerígena na amostra.

Finalmente, a eletroquímica também é usada com microrganismos para gerar energia, conhecida como células de combustível bioeletroquímicas. 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 assistir ao vídeo de Jove sobre biossensoriamento eletroquímico. Este vídeo continha uma visão geral básica dos princípios-chave dos biossensores eletroquímicos e explicava detalhadamente o funcionamento do sensor de glicose no sangue. Por fim, ilustramos algumas aplicações do mundo real de biossensoriamento eletroquímico. Obrigado por assistir.