biossensores enzimáticos
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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
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
Biossensor enzimático
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 .
Biossensor enzimático
Biossensor enzimático
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
Biossensor enzimático
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).
Biossensor enzimático
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.
Biossensor enzimático
Biossensores enzimáticos de 1ª geração
(a), 2ª geração (b) e 3ª geração (c).
Biossensor enzimático
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.
Biossensor enzimático
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)
Biossensor enzimático
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.
Biossensor enzimático
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
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Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p.
Determinação de stress oxidativo
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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.
VII. Considerações finais
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.
VII. Considerações finais
Resposta em tempo real
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