A segunda parte do curso abordará: 1) aplicações de biossensores na indústria alimentícia e medicina para detecção de substâncias e microrganismos; 2) construção e funcionamento de um biossensor eletroquímico para detecção de SARS-CoV-2; 3) uso de filtros e ferramentas em sistemas de sensores.

1. Capa Emily
Curso Sensores e Transdutores

2. O que vem por aí na parte II?
• Aplicações na indústria alimentícia e medicina
• Aplicação SARS-CoV-2;
• Construção e funcionamento de um biossensor eletroquímico
amperométrico;
• Filtros e Ferramentas.
Curso Sensores e Transdutores – Transição Parte I  II Área bioENG IEEE UEM

3. Biossensores na medicina
Os biossensores na medicina atuam
principalmente no diagnóstico e prevenção de
doenças.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [7]
Podem se tornar uma alternativa aos exames
realizados em laboratórios de análises clínicas,
em consultórios médicos ou por agentes de
saúde em visitas às residências de pessoas que
vivem em regiões remotas do país.

4. Biossensor - Diagnóstico
• Detecção da proteína NS1 – Dengue
Para a detecção da dengue, é imobilizado
o anticorpo IgY, responsável por combater a
proteína NS1, secretada pelo vírus da dengue no
primeiros dias da infecção.
Quando a ligação acontece, no eletrodo
que o anticorpo foi imobilizado, há uma alteração
no fluxo de elétrons, indicando a existência da
proteína na amostra de sangue.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [9]

5. Biossensor COVID-19
Curso Sensores e Transdutores – Parte II SARS-CoV-2 [4]
O teste é executado em torno de 60
segundos, sendo que em um mesmo teste é
analisado o RNA viral, anticorpo e antígeno. O
único requisito para isso ser feito, foi adicionar
um bioreceptor para cada analito.
Isso permite ao sistema buscar uma grande
variedade de fragmentos de RNA, anticorpos e
antígenos e não apenas o mais provável. Sendo
que essa abordagem pode reduzir resultados
falsos e fornecer informações adicionais sobre a
saúde de um paciente.

6. Funcionamento do Dispositivo
O biossensor produzido pela empresa, possui um componente
análogo ao MOSFET, chamado de bioFET. No componente em questão, a
porta Gate é controlada por ligações do analito com o bioreceptor ao
invés de um sinal de tensão.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II SARS-CoV-2 [4]

7. Biossensor - Oncologia
• Detecção de câncer de próstata
Este biossensor pode detectar simultaneamente o fator de
crescimento endotelial vascular (VEGF) e o antígeno específico da
próstata (PSA) no soro humano para o diagnóstico precoce do câncer
de próstata. É imobilizado os anticorpos IgM e IgG.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [10]

8. Biossensores - Nefrologia
A creatinina é um biomarcador importantíssimo para o diagnóstico
das seguintes doenças:
• Doença Renal Crônica (DRC)
• Injúria Renal Crônica (IRC)
Porém, a sua alteração na corrente sanguínea vem tardiamente para
diagnosticar essas doenças, assim, outros biomarcadores são buscados com
a finalidade de evitar esse diagnóstico tardio.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [12]

9. Biossensores - Nefrologia
• Então, aonde os outros biomarcadores são analisados?
É observado que a TFG diminui progressivamente (redução dos
néfrons) ao longo do tempo em doenças renais antes do paciente
apresentar os sintomas.
• Taxa de Filtração Glomerular (TFG)
A TFG é definida como a capacidade renal de depurar uma substância
a partir do sangue.
• Quais são os biomarcadores que indicam a queda da TFG?
Estudos indicam que a Cistatina C seria um ótimo biomarcador para
avaliar pequenas diminuições de TFG.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [12]

10. Biossensores - Nefrologia
• Biossensor Óptico (Cistatina C)
A cistatina C é imobilizada na
superfície do transdutor e são utilizados
anticorpos que se ligam com a proteína.
Assim eventos de ligação na camada
sensível causarão uma alteração na
espessura óptica.
Com essa alteração é possível
estipular a concentração de cistatina C a
partir de um modelo matemático.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Saúde [11][12]

11. Indústria alimentícia e biossensores
Para o controle da qualidade de alimentos a
indústria alimentícia investe fortemente em
biossensores para a detecção de substâncias,
bactérias e micro-organismos que são indesejáveis no
produto final.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Indústria alimentícia [6]

12. Curso Sensores e Transdutores – Parte II Indústria alimentícia [6]

13. Entrando mais fundo em biossensores
eletroquímicos amperométricos
• Enzimas;
• Eletroquímica;
• Potenciostato;
• Métodos.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores

14. Enzimas
A maioria das enzimas são proteínas, porém, é tomado como
exceção alguns grupos de moléculas RNA catalíticas. As enzimas são
catalisadores altamente eficazes, sendo sua estrutura proteica dividida
em primária, secundária, terciária e quaternária.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [5]

15. Enzimas
• Sítio Ativo
O contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por
resíduos de aminoácidos com grupos nas cadeias laterais, que ligam o
substrato e formam a reação química. Frequentemente, o sítio ativo
engloba o substrato, sequestrando-o completamente em solução.
• Reação Enzimática
𝐸 + 𝑆 𝐸𝑆 𝐸𝑃 𝐸 + 𝑃←→ ←→ ←→
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [5]

16. Cinética Enzimática
• Constante de Michaelis-Menten
A Equação de Michaelis-Menten
define uma relação entre a velocidade
inicial, velocidade máxima e a
concentração incial do substrato, todas
em relação à constantede Michaelis, Km.
𝑣 =
𝑉 𝑚á𝑥[𝑆]
𝐾 𝑚 + [𝑆]
𝑉 𝑚á𝑥
𝐾 𝑚
Concentração do Substrato
Velocidadedareação
1
2
𝑉 𝑚á𝑥
𝑣
[𝑆]
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [5]

17. Reação Enzimática (Gox)
O objetivo desta catalisação é obter a informação da concentração da
glicose em uma solução a partir de um sinal elétrico, derivado da
decomposição do peróxido de hidrogênio.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [2][5]

18. Imobilização de Enzimas
Entende-se por enzima imobilizada, aquela física ou quimicamente
associada a um suporte ou matriz, usualmente sólida, insolúvel em água e
inerte, que não seja essencial a sua atividade. A imobilização de enzimas é
necessária para a sua reutilização e aumento de estabilidade.
• Critérios para avaliação de um sistema enzima-suporte
- Estabilidade de fixação;
- Estabilidade enzimática;
- Resistência mecânica;
- Capacidade de carga.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [5]

19. Relembrando um pouco de eletroquímica
• Reações de Oxirredução
Um dos reagente atua como oxidante, recebendo elétrons enquanto
um segundo atua como redutor, fornecendo elétrons.
• Potencial de Oxirredução
Essas reações estão associadas a uma diferença de potencial com a
finalidade de surgir uma corrente elétrica.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [1][3]

20. Célula eletroquímica
A célula eletroquímica é responsável
pelo contato direto com o substrato ao qual o
bioreceptor está isolado. O material que os
eletrodos são feitos varia muito, podendo ser
de carbono, prata/cloreto de prata, ouro,
platina, alumínio e entre outros.
Obs: Para dispositivos vestíveis os
eletrodos são impressos em um polímero
flexível.
CE WE RE
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [1][3]

21. Potenciostato
É um dispositivo que possui o controle de
tensão entre os eletrodos de trabalho/ eletrodo de
referência (potencial de polarização) e o controle
sobre o eletrodo de trabalho/contra eletrodo
(potencial de compilância).
O potencial de polarização é ajustado para
manter a diferença de potencial entre os eletrodos de
trabalho e referência de acordo com um programa
definido.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [1][3]

22. Voltametria Cíclica
A técnica da voltametria cíclica (VC) é
necessária para encontrar o potencial redox da
reação em questão. Ela se baseia em aplicar uma
taxa de potencial ao longo do tempo, definindo
um intervalo de análise, com a finalidade de
observar a resposta da corrente pelo potencial
aplicado em um instante de tempo.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [1][3]

23. Cronoamperometria
A cronoamperometria é uma técnica ao qual um
potencial fixo é aplicado e é observado a resposta da
corrente em relação ao tempo. O potencial fixo é
estabelecida pela voltametria cíclica após a análise
do potencial de redox.
• Equação de Cottrell
𝑖(𝑡) = 𝑛𝐹𝐴𝑐 𝑜
𝐷
𝜋𝑡
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Entrando mais fundo em biossensores [1][3]

24. Futuro dos biossensores?
“...Os biossensores constituem uma tecnologia em ascensão no
mundo. De acordo com dados da Markets and Markets, empresa
de pesquisa e consultoria norte-americana na área de tecnologia
da informação, o mercado de biossensores foi avaliado em cerca
de US$ 16 bilhões em 2016. Estima-se que alcance US$ 27
bilhões até 2022...”
- Trecho retirado de um artigo da Revista de Pesquisa FAPESP
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Futuro [7]

25. O que vem após os sensores e
transdutores?
• Filtros
Após o sinal chegar para o usuário, raramente será algo perfeito,
portanto é preciso tratar o sinal utilizando filtros, que são modelos
matemáticos utilizados para remover ruídos.
• Alguns filtros
- TKEO (EMG);
- Running-mean filter;
- FIR (PPG);
- Median Filter.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Filtros

26. Filtros
• Teager-Kaiser Energy Operator
• Running mean-filter
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Filtros
𝑦𝑡 = 𝑥 𝑡
2
− 𝑥 𝑡−1 𝑥 𝑡+1
𝑦𝑡 = (2𝑘 + 1)−1
𝑖=𝑡−𝑘
𝑡+𝑘
𝑥𝑖

27. O que vem após os sensores e
transdutores?
• Ferramentas para praticar
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Filtros

28. Revisão – Parte II
• Biossensores na medicina (detecção dengue, câncer, covid-19);
• Biossensores na indústria (qualidade do alimento);
• Construção de um biossensor eletroquímico amperométrico
(enzimas, potenciostato, métodos);
• Filtros e Ferramentas.
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Revisão

29. Referências – Parte II
[1] WANG, J. Analytical Electrochemistry. 3rd ed. John Wiley & Sons, New
Jersey, 2006.
[2] Application of zeolites for immobilization of glucose oxidase in
amperometric biosensors.
[3] BARD A. J. ELECTROCHEMICAL METHODS Fundamentals and
Applications.
[4] PERRY, T. S. Biosensors May Hold the Key to Mass Coronavirus
Testing. IEEE Spectrum, 29 May 2020. Disponível em: <url>. Acesso em: 9
de julho de 2020.
[5] NELSON, D. L. & COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 7ª
Ed. Brasil: Artmed, 2018.
Drive
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Fim

30. Referências – Parte II
[6] OLIVEIRA, A. E. F. Biossensores e a Indústria Alimentar. Monografia de TCC –
Química – Bacharelado – UFSJ – 2014.
[7] ANDRADE, R. O. Biossensores na medicina. R. de Pesquisa FAPESP. São Paulo, 258
p. 68-71, agosto, 2017.
[8] LECHUGA, L. M. LORENZO V. El uso de biosensores en medicina y medio ambiente.
Consejo Superior de Investigaciones Científicas. N° 12. julio/septiembre, 1996.
[9] FIGUEIREDO, A. et al. Electrical detection of dengue biomarker using egg yolk
immunoglobulin as the biological recognition element. Scientific Reports. jan. 2015.
[10] PAN, L. et al. An electrochemical biosensor to simultaneously detect VEGF and PSA
for early prostate cancer diagnosis based on graphene oxide/ssDNA/PLLA
nanoparticles. Biosensors and Bioelectronic. Jan. 2016.
[11] BLEHER, O. et al. Label-free quantification of cystatin C as an improvedmarker for
renal failure. Anal Bioanal Chem (2012) 402:349–356.
[12] ABENSUR. H. Biomarcadores na Nefrologia. Brasil, São Paulo: Roche, 2011.
Drive
Curso Sensores e Transdutores – Parte II Fim