O documento discute biossensores enzimáticos, definindo-os como dispositivos analíticos compostos por uma entidade biológica de reconhecimento acoplada a um transdutor físico-químico. Descreve características gerais de biossensores como portabilidade e tempo de resposta rápido, além de aplicações em medicina, indústria farmacêutica e ambiental. Também aborda componentes como biorreceptores enzimáticos e métodos de transdução, com ênfase em biossensores enzim

1. 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
Janaina Cecília Oliveira Villanova
Disciplina: Bioconjugados, Biossensores e Bioeletrônica
Prof. Dr. Herman Sander Mansur
Belo Horizonte
2009

2. 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.

3. O que é um biossensor?

4. 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.

5. Atributos requeridos
Seletividade / especificidade;
Sensibilidade;
Linearidade;
Reprodutibilidade;
Limite de detecção e quantificação;
Robustez;
Estabilidade;
Capacidade de miniaturização.

6. 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;

7. Possibilidade de aplicação
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.

8. Componentes do biossensor

9. Classificação
• Elemento de biorreconhecimento  afinidade,
enzimático, híbrido;
• Tipo de transdução  elétrico, eletroquímico, óptico,
térmico, piezoelétrico, magnético.
Biorreceptores e métodos de transdução para biossensores.
Adaptado de: MORRISON et al., 2007.

10. Biossensor enzimático
• Elemento de biorreconhecimento  enzimas;
• Fundamento  catálise;
• 1º biossensor enzimático foi desenvolvido por Clark,
em 1959 e descrito em 1962.
1918 - 2005

11. Biossensor enzimático
The Clark Oxygen Polarograph
Electrode.
Patent Pending Document, May
1956.

12. Biossensor enzimático
• Enzimas  especificidade;
• Atividade catalítica  atuam em meio aquoso, em
condições ótimas de temperatura e pH .

13. 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 
Imobilização física ou química
H2O2, CO2, NH3, O2, ácidos.

14. 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).

15. 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.

16. Biossensor enzimático
Biossensores enzimáticos de 1ª geração (a), 2ª
geração (b) e 3ª geração (c).

17. 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.

18. Biossensor enzimático
Self-assembly (auto-organização)
Auto-organização de camadas moleculares em uma superfície de ouro (Au).
Fonte: http://www.ifm.liu.se/applphys/ftir/sams.html

19. 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.

20. Biossensor enzimático
Exemplos de
enzimas imobilizadas
em biossensores

21. 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.

22. Determinação de dicarbamatos
LIMA, R.S. biossensor enzimático para detecção de fungicidas ditiocarbamatos.
Estudo cinético da enzima aldeído desidrogenase e otimização do biossensor. Química
Nova, v.30, n.1, p.9-14, 2007.

23. Determinação de colesterol
MARTINS, M. Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool
vinílico)/ftalocianina. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre.
Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p.

24. Determinação de stress oxidativo
ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa
associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química
Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001.

25. Determinação de L-lactato
LOWINSOHN, D.; BERTOTTI, D. Sensores eletroquímicos: considerações sobre
mecanismos de funcionamento e Aplicações no monitoramento de espécies químicas
em ambientes microscópicos. Química Nova, v.29, n.6, p.1318-1325, 2006.

26. 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.

27. 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.

28. VII. Considerações finais
Resposta em tempo real

29. VII. Considerações finais
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30. VII. Considerações finais
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31. VII. Considerações finais
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32. VII. Considerações finais
RAZZINO, C.A. Desenvolvimento, caracterização e utilização de um nanobiossensor enzimático para a determinação da
carbaril. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade de São Paulo. 2007. 96p.
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33. VII. Considerações finais
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