Como Funcionam os Biossensores piezoelétricos (ART2899)

Biossensores são sensores químicos capazes de detectar substâncias químicas baseados nas propriedades de um material biologicamente ativo. Esses sensores são de extrema importância na indústria médica, química, em veterinária e na agricultura na detecção de substâncias de forma sensível e seletiva. Nesse artigo focalizamos uma tecnologia muito interessante para a construção desse tipo de sensor que é a que faz uso de cristais piezoelétricos.

Existem diversas tecnologias usadas na detecção de substâncias químicas através de materiais sensores que possuam atividade biológica. Esses biossensores encontram hoje uma infinidade de aplicações, algumas das quais citamos na introdução.

Uma tecnologia importante que deve ser analisada e que se caracteriza pela facilidade com que os sensores podem ser construídos é a que faz uso de cristais piezoelétricos e uma substância biologicamente ativa. As características dessa substância é que vão determinar o que esse sensor pode detectar e com que sensibilidade.

 

Princípio de Funcionamento

Partimos das propriedades piezoelétricas de certos cristais e do fenômeno da ressonância.

Determinados cristais quando deformados liberam cargas elétricas que se acumulam em suas faces. Essas cargas significam uma tensão elétrica que pode ser detectada por um circuito externo, conforme mostra a figura 1.

 

 


 

 

 

Por outro lado, se esse cristal for excitado eletricamente ele sofre deformações, e se o estímulo for feito através de um circuito que tenha um sistema de realimentação, conforme mostra a figura 2, o circuito entra em oscilação numa frequência que é determinada pelas características mecânicas do cristal.

 

 


 

 

 

Essa é, portanto, a frequência de ressonância do cristal, fenômeno aproveitado quando se utiliza esse cristal para controlar a frequência de osciladores.

Se recobrirmos uma das faces desse cristal com uma substância biologicamente ativa, a massa dessa substância afeta as características desse cristal influindo na sua frequência de ressonância, conforme mostra a figura 3.

 

 


 

 

 

Ligando esse dispositivo a um circuito oscilador de modo que ele determine sua frequência, teremos um sensor bastante eficiente para determinadas substâncias químicas.

Isso significa que se esse material que recobre sofre a ação da substância a qual ele deve detectar suas características físicas, inclusive a massa, pois ele incorpora a substância ao reagir com ela, se modificam e com isso a frequencia do oscilador muda.

Com isso, é possível detectar a presença da substância absorvida pela simples mudança da frequência do oscilador.

 

Na prática

Um biossensor desse tipo é então formado por duas partes, mostradas na figura 4. Um receptor para a substância que se deseja sensoriar e um detector que acusa as variações das características do receptor quando na presença da substância visada.

 

 


 

 

 

As características do receptor determinam que tipo de substância pode ser detectada como enzimas, anticorpos ou qualquer outra substância que altere a substância usada como elemento sensível no receptor.

Assim, dependendo do elemento de sensoriamento biológico é possível reconhecer uma determina a molécula orgânica ou ainda detectar um processo químico.

Processos alternativos para essa tecnologia de biossensores empregam, por exemplo, a absorção óptica, ou seja, medem a modificação das linhas de absorção de certas frequências de luz ou infravermelho quando determinados processos químico ocorrem. Esses processos podem então ser selecionados para detectar determinados tipos de substâncias ou mesmo a presença de organismos vivos, como culturas de vírus e bactérias.

Os materiais usados como biossensores podem ser agrupados conforme o tipo de moléculas ou organismos que eles podem detectar, conforme a seguinte relação:

 

Gases respiratórios: O2 e CO2

Íons: Potássio, Lítio, Hidrogênio, Cálcio, Fosfatos, Metais pesados, etc

Gases tóxicos; H2S, CL2, CO2, NH3, etc

Gases anestésicos: N2O2

Metabólicas: Ureia, Glicose, Hormônios, Esteroides, Drogas

Vapores tóxicos; benzeno, tolueno

Proteínas e ácidos nucleicos: DNA, RNA

Antígenos e Anticorpos: diversos

Micro-organismos: vírus, bactérias, parasitas

 

Como exemplo, podemos citar sensores que convertem diretamente a concentração de glicose numa amostra de sangue num sinal elétrico para um circuito de análise ou detector de nível.

O detector consiste então no cristal piezoelétrico que é ligado a um circuito amplificador apropriado. Opções modernas para esse tipo de sensor consistem em se incorporar todo o circuito que converte os sinais do cristal para a forma digital e o transmite numa interface serial, conforme mostra a figura 5.

 

 


 

 

 

Esse circuito pode então ser ligado diretamente a um microcontrolador que tanto pode apresentar os resultados da detecção em termos de concentração como pode ser programado para acionar dispositivos de alarme, aviso ou de acionamento de controles quando os sinais atingem determinados valores.

Dispositivos que injetam medicamentos, que atuem sobre coletores de amostras, que impeçam que o processo que gera a substância detectada continue são alguns tipos de ações que os circuitos de controle podem exercer.

 

Aplicações

Uma das mais importantes aplicações desse tipo de sensor é na detecção de anticorpos. Sua sensibilidade permite que sua detecção seja feita na escala dos picogramas, isso tanto em meios gasosos como líquidos. A grande vantagem seria a não necessidade do uso de reagentes como ocorre hoje nos processos tradicionais.

Assim, o elemento sensor pode reconhecer uma determinada molécula simplesmente pelo contacto com a substância analisada, por exemplo, uma amostra de saliva, sangue ou urina, e isso de maneira extremamente rápida.

A tuberculose e outras infecções causadas por microbactérias, por exemplo, seria detectada facilmente com isso tipo de sensor. No processo tradicional é preciso esperar o desenvolvimento de culturas que podem demorar de 4 a 8 semanas. Com o biossensor, o resultado, sai rapidamente e o teste é feito com equipamento portátil.

 

Conclusão

A tecnologia dos biossensores piezoelétricos ainda não está totalmente desenvolvida, de modo que poucos tipos podem ser encontrados com aplicações práticas imediatas. No entanto, as pesquisas prosseguem e cada vez mais encontraremos aplicações para esse tipo de sensor, em todos os campos de aplicações.

 

Artigo publicado originalmente em 2007

 


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