1. Introdução

O avanço da tecnologia, crescimento demográfico e a crescente atividade industrial nos mais variados setores produtivos, acabou tornando necessário a utilização de técnicas para determinar e quantificar possíveis compostos tóxicos. Nesse contexto surge os biossensores como uma nova fonte de quantificação e qualificação de compostos tóxicos e/ou nocivos a saúde dos seres vivos.( RAKHI, R. B et. al. 2016)( PU, J. et. al. 2017)

Os biossensores são dispositivos para fins analíticos, utilizados para a quantificação e qualificação de um analito de interesse. Em sua estrutura combinam um componente biológico com um detector físico-químico. Este é composto por 3 componentes básicos:

• Elemento sensor biológico

• Transdutor

• Dispositivo de processamento do sinal eletrônico

Diversos esforços e pesquisas na área científica e tecnológica têm sido feitas para obter avanços nos campos da engenharia de biotecnologia, a fim de atender as necessidades exigidas, seja pela complexidade de análise ou medição de por exemplo de um analito numa solução e etc. Entende-se por biossensoriamento o processo segundo o qual emprega-se materiais de origem biológica (aptâmeros, peptídeos, aminoácidos, enzimas, células, tecido animal ou vegetal, etc.) que combinado aos transdutores, que são dispositivos que convertem o que foi aferido em um tipo de sinal elétrico mensurável, sendo este proporcionalmente equivalente a magnitude ou frequência do analito alvo, como ilustrado na imagem abaixo:

Os tipos de biossensores empregados nos processos de interação biológica, podem ser subdivididos em duas categorias de sensores: sistemas de medição direta e indireta.( XU, S. et. al. 2017)

Nos casos onde é feita a medição direta, o biossensor se baseia em um fenômeno físico que ocorre durante uma reação bioquímica na superfície do transdutor. Enquanto que quando realizada indiretamente o biossensor necessita de um analito alvo, por exemplo a enzima. O nível de escolha sobre qual utilizar, o primeiro é de utilização simples pois possui uma maior estabilidade, ao passo que o segundo é mais sensível, possui baixo custo etempo de operação simplificado, logo a opção por um ou outro acaba sendo dependente das características do sistema que será empregado. As exigências e condições impostas pelos diferentes tipos de processos e objetivos deinteresse no que se diz respeito às medições do analito, determinará qual o melhor sensor queserá utilizado.( ETEZADI, D. et. al. 2017)

Com o objetivo de elucidar um pouco mais sobre o funcionamento, características, aplicação e tipos de biossensores, este artigo será uma breve revisão fundamentado em artigos publicados na literatura nos últimos 4 anos sobre esse tema, que a cada dia recebe mais atenção.

2. Tipos de Biossensores

A aplicação dos biossensores depende do fenômeno ou propriedade que se deseja avaliar. Para cada amostra tem-se a combinação do material biológico a ser empregado e o transmissor mais apropriado para as condições em questão. Contudo, cada tipo de biossensor possui uma vantagem com relação aos demais, porém estudos comprovam que ainda não se obteve um transmissor característico para cada analito de interesse.

A classificação dos biossensores varia de acordo com o tipo de sistema em que este é constituído e o elemento de transmissão que é empregado e utilizado de forma acoplada ao componente biológico. O emprego de cada tipo de transdutor vai depender da característica de cada material, como band gap e resposta a interação com outros elementos que constitui o biossensor. Devido a suascaracterísticas únicas como alta sensibilidade, a variação da concentração do meio e facilidade de operação no presente trabalho, optou-se pela utilização da técnica de potenciometria com o sistema de transdução. De uma maneira geral, esse tipo de técnica mede a diferença de potencial

(DDP) entre um eletrodo indicador e um de referência. No que se refere a alguns dos tipos de transdutores na tabela 1 é apresentado os diferentes tipos de transdutores utilizados na construção de biossensores e suas principais aplicações, como ilustrado na tabela 1:

Os transdutor consiste de um elemento biológico, o qual reconhece o analito alvo e o eletrodo - transdutor, que "traduz" o fenômeno do bio-reconhecimento em um sinal elétrico útil. Constituem-se de uma classe que possuem como características: instrumentação de baixo custo, sensíveis, confiáveis e com resposta rápida. Além disso, não se faz necessário realizar um tratamento prévio para emprega-los e abrangem uma ampla faixa de concentração. O material biológico tem a função de fazer o reconhecimento do substrato e o transdutor (traduzir o sinal medido em algo mensurável). Estes, são amplamente empregados na área clínica, seja para testes de monitoramento ou diagnósticos. Os biossensores eletroquímicos podem ser de três tipos: potenciométrico, condutométrico e amperométrico.

Transdutores amperométricos mensuram a corrente elétrica proveniente do processo oxidativo ou redutivo de uma espécie eletroativa, comumente no ato de transferência dos elétrons entre o substrato e o transdutor (THÉVENOT, 2001; WANG, 2008). Porém, operam por meio do processo difusivo e por isso, tem como pontos negativos: apresentar uma parte reduzida, devido a saturação das enzimas, um acréscimo de aumento dos potenciais que acarretam na oxidação de constituintes afetando assim as correntes, que são influenciadas pela velocidade de difusão do substrato até ao eletrodo. Mas estudos baseados nas limitações dos processos difusivos vêm sendo feitos, de modo a garantir que a concentração do analito permaneça em níveis mais baixos de saturação da enzima. ( LU, X et. al. 2018)

Os transdutores potenciométricos medem a diferença de potencial (DDP) entre um eletrodo indicador e um de referência ou ainda, entre dois de referência isolados por uma membrana permeável, onde é inexistente a presença de corrente. Dentre os biossensores potenciométricos, os de íon-seletivo vem sendo muito empregados na detecção de íons de natureza orgânica e inorgânica em análises ambientais, clínicas e até mesmo industriais.( DAI, H. et. al. 2016)

O transdutor condutimétrico mede a mudança na condutância entre um par de eletrodos metálico como consequência de um componente biológico. Dificilmente empregadas, mas quando utilizado possibilita aferir a alterações de condutância existente, pela utilização da enzima (de ação catalítica), que pode consumir ou produzir constituintes iônicos modificando assim o número de cargas do eletrólito. Esse tipo de biossensor não exige o uso de eletrodos de referência. O sinal obtido neste caso, dependesignificamente da temperatura, logo impossibilitam de serem estáveis e as amostras analisadas jamais devem ser diluídas. (XU, T. 2016)

Os transdutores piezoelétrico constitui-se em cobrir a superfície do biossensor com um componente biológico (seletivo), que ao imergir o mesmo em um meio onde se encontra o analito alvo, a massa de quartzo cresce, e de maneira equivalente a frequência das oscilações diminuem. Esse tipo de cristal possui uma aplicabilidade enorme em sistemas piezoelétricos devido a sua sensibilidade de alteração de massa e alta faixa de frequência (106 ciclos/segundos). Motivados pela característica única de sensibilidade deste tipo de biossensor, um tipo de sensor, Quartz-Crystal Microbalance (QCM), foi construído com o objetivo de quantificar as quantidades menores de massa (nanogramas) no momento em que algo entra em contato com o sensor e se adere ao mesmo. (JIN, Y. et. al. 2017)

Os biossensores ópticos são baseados nas modificações de propriedades ópticas, onde é possível quantificar a concentração do analito alvo por meio de alterações na luz observada ou emitida em um sistema reacional, seja biológico ou químico . Nesses as propriedades que podem ser observadas são: absorção, comprimento de onda, índice de refração, fluorescência, fosforescência e refletividade. Quando comparados a outros tipos de biossensores, não necessitam de constituintes ativos na bio-camada e possuem um tempo de resposta mais curto.( JIN, Z. et. al. 2016)

Transdutores colorimétricos, são reconhecidos no mercado como termistores. Estes baseiam-se na detecção do calor que é produzido nos processos reacionais, seja uma mistura, ou ainda, uma diluição de componentes. Entretanto, uma grande parcela do calor não é quantificada, promovendo consequentemente a diminuição do grau de sensibilidade dessetipodebiossensor. (MAO, H. et. al. 2017)

A camada que reconhece e interage com analito e ser identificado é denominada biocamada, sendo esta que constitui os biossensores inclui o bioreceptor ou material biológico de alta seletividade, permitindo diferenciar em alguns casos, isômeros de uma molécula. Existem diferentes tipos de bioreceptores que se podem imobilizar sobre os transdutores, tais como: anticorpos, ácidos nucléicos, microorganismos, tecidos orgânicos, e enzimas.

Dentre as opções, quanto ao uso do elemento de reconhecimento biológico destacam-se as enzimas. A aplicabilidade prática dos biossensores enzimáticos permite que alterem não apenas o grau de especificidade, mas também, o tempo de resposta frente ao analito. A utilização das enzimas pode por um lado acarretar pontos não vantajosos no processo de obtenção do biossensor, pois não são muito estáveis quando submetidas a variações físico-químicas, porém esse ponto pode ser contornado ajustando por exemplo a temperatura, pressão ou pH do meio em que a reação ocorre. A biocamada depende diretamente do composto químico alvo, tendo sua aplicação de forma variável. (GAO, S. et. al. 2017)( ZHOU, W. et. al. 2017)

3. Metodologia

A síntese dos biossensores seguem especificidades de cada grupo de pesquisa e até mesmo sua aplicação, portando em muitos casos são em grande parte patenteados. Porem a síntese no geral, é dividida em 2 etapas: Identificação e síntese da biocamada e síntese do material transdutor.

A síntese da biocamada pode ser feita de diferentes formas. De acordo com a aplicação fim do biossensor é feita a síntese da biocamada. Geralmente é feita pela síntese de proteínas, que por técnicas de caracterização de eletroforese mostram quais as propriedades elétricas da proteína, acabando por interagir com o analito a ser quantificado e/ou qualificado e interagindo com o material transdutor. (GUERREIRO, J. R. et. al. 2016)( SHCHERBAKOVA, D. M. et. al. 2016)( ZHU, X. et. al. 2016)

A síntese do material transdutor é feita de diferentes formas, nas quais as mais comuns são sol-gel, mistura de sólidos e técnicas de deposição por via líquida. (BRIONES, M. et. al. 2016)( WU, M. et. al. 2017)( RAJPUT, S. et. al. 2017)

4. Resultados e Discussões

Os biossensores vem ganhando grande destaque e aplicação devido a sua praticidade e simplicidade que vai desde a manipulação até resultados finais. De acordo com a atividade fim, o biossensor se mostra com uma determinada ferramenta de quantificação e qualificação de compostos químicos.

A produção do bionssensor é variada, alguns estão sob segredos industriais, com patentes milionárias e outros com métodos de síntese bem difundidos e conhecidos. Mas independente da forma como eles são produzidos, é preciso passar pelo processo de validação do método. Se o biossensor utilizar de um método não descrito na literatura, o método tem que ser criado com base em outros já existentes ou um método inovador na qual os resultados sejam semelhantes, dentro de uma margem de erro, aos métodos convencionais utilizados, para a partir disso passar pela validação e calibração do biossensor em diferentes situações.

O Biossensor é capaz de interpretar as mudanças químicas e físicas produzidas em presença do composto a ser qualificado e/ou quantificado, originando um sinal eletrônico capaz de ser interpretado em poucos minutos. Os mais novos campos de Aplicações para biossensores variam em função do tipo de transdutor usado e do agente biológico, tendo como principal aplicação:

1. 1) Industrias de Alimentos , Farmacêuticas e Químicas (BRAVO, I. et. al. 2017)

2. 2) Prospecção de Petróleo e gás Controle Ambiental Controle Ambiental (HAMMAMI, A. et. al. 2016)

3. 3) Controle de Qualidade (FARAH, A. A. et. al. 2016)

4. 4) Medicina e Engenharia Biomédica (YANG, W. et. al. 2016)

5. 5) Controle de Pesticidas na agricultura (PENG, L. et. al. 2017)

6. 6) Uso Militar (PENG, H. T. et. al. 2016)

7. 7) Exploração espacial (PANTOJA, S. et. al. 2017)

8. 8) Controle antidoping (KAO, C. H. et. al. 2017)

Visto sua adaptação aos variáveis tipos de situações, na qual é feita a combinação adequada entre uma parte orgânica e outra inorgânica é possível chegar em um conjunto que apresenta as propriedades desejadas tendo nisso um grande leque de aplicações para os biossensores.

Apesar de todas as qualidades e atributos dos biosensores, ainda existem barreiras a serem ultrapassadas e até mesmo alcançadas. Muitos fatores limitantes ainda se mostram presentes nos biossensores, na qual podemos listar como os principais fatores limitantes:

1. 1) Interferências eletroquímicas (RAICOPOl, M. D. et. al. 2016)( LI, H. et. al. 2017)

2. 2) Pouca estabilidade a longo prazo (AZZOUZI, S. et. al. 2015)( FAN, Z. et. al. 2015)

3. 3) Transferência incorreta de elétrons (SCHULZ, C. et. al. 2015)( MITTAL, S. et. al. 2017)

4. 4) Custo elevado de alguns componentes (SARKAR, D. et. al. 2014)( ZHOU, W. et. al. 2014)

Vale ressaltar que tanto os fatores limitantes quanto os fatores que pesam a favor dos biossensores variam de acordo com a área de aplicação e o que se deseja quantificar e qualificar.

5. Conclusão

O desenvolvimento de novas tecnologias associadas a redução de custos torna as pesquisas dos biosensores cada dia mais viável. Pesquisas essas que se mostram de cunho multidisciplinar, envolvendo profissionais de diversas áreas como engenharias, Química, Física e Biologia. Apesar de todos esses atributos, ainda é um campo de pesquisa relativamente novo e com grandes prospecções. Várias pesquisas vêm sendo feitas afim de descobrir novos métodos de análises, especialmente como tentativa de substituição das análise e monitoramento de analitos em aplicações que são questões de saúde pública, como é o caso da detecção rápida de vírus e bactérias, como a Dengue, a AIDS, monitoramento da água destinada ao consumo, qualidade do ar dentre outros. A busca de métodos que sejam de baixo custo, fácil descarte seguindo normas ambientais, portáteis e com aplicação on-line e no campo, é interesse de muitos pesquisadores em vários países que vêem nos biossensores uma nova alternativa de análise.

Referências

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