MATTOSO, L. H. C.

OLIVEIRA, J. E. de

ZUCOLOTTO, V.

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ISSN 2175-8395Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaEmbrapa Instrumentação AgropecuáriaMinistério da Agricultura, Pecuária e AbastecimentoRede de Nanotecnologia Aplicada ao AgronegócioAnais do V Workshop 2009Odílio Benedito Garrido de AssisWilson Tadeu Lopes da SilvaLuiz Henrique Capparelli MattosoEditoresEmbrapa Instrumentação AgropecuáriaSão Carlos, SP2009Exemplares desta publicação podem ser adquiridos na:Embrapa Instrumentação AgropecuáriaRua XV de Novembro, 1452Caixa Postal 741CEP 13560-970 - São Carlos-SPFone: (16) 2107 2800Fax: (16) 2107 2902http://www.cnpdia.embrapa.brE-mail: sac@cnpdia.embrap.brComitê de Publicações da UnidadePresidente: Dr. Luiz Henrique Capparelli MattosoMembros: Dra. Débora Marcondes Bastos Pereira Milori,Dr. João de Mendonça Naime,Dr. Washington Luiz de Barros MeloValéria de Fátima CardosoMembro Suplente: Dr. Paulo Sérgio de Paula Herrmann JuniorSupervisor editorial: Dr. Victor Bertucci NetoNormalização bibliográfica: Valéria de Fátima CardosoCapa: Manoela Campos e Valentim MonzaneImagem da Capa: Imagem de AFM de nanofibra de celulose - Rubens Bemardes FilhoEditoração eletrônica: Manoela Campos e Valentim Monzane1ª edição1ª impressão (2009): tiragem 200Todos cs direito, reservados.A reprodução não-autorizada desta publicação, no todo ou em parte,constitui violação dos direitos autorais (Lei nO 9.6\ O).CIP··BrasiJ. Catalogação-na-publicação.Embrapa Instrumentação AgropecuáriaAnais do V Workshop da rede de nanotecnolog a aplicada aoagronegócio 2009 - São CarJos: Embrapa InstrumentaçãoAgropecuaria, 2009.IrregularISSN: 2175-83951. Nanotecnologia - Evento. L Assis, Odílio Benedito Ganido de.11.Silva, Wilson Tadeu Lopes da. III. Mattoso, Luiz HenriqueCapparelli. IV. Embrapa Instrumentação Agropecuaria© Embrapa 2009Rede de Nanotecnologia Aplicada ao Agronegocio - Anais do V Workshop~ Rede;;: rm') -~ Nono,BIOSSENSORES ENZIMÁTICOS BASEADOS EMNANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOSJuliano Elvis de Oliveira':", Valtencir Zucolotto", Luiz Henrique Capparelli Mattoso"IPPGCEM, Depto. de Materiais - UFSCar, 13560-905, São Carlos/SP2Grupo de Biofisica- IFSC, USP, 13560-970, São Carlos/SP3Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio, Embrapa Instrumentação Agropecuária,13560-970, São Carlos/SP *mattoso@cnpdia.embrapa.brProjeto Componente: PC2 Plano de Ação: Ol.05.l.0l.02.02ResumoCom o crescimento da produção agropecuária duas importantes vertentes que vêm se destacandosão o monitoramento de glicose e a detecção de pesticidas organofosforados a partir debiossensores. Neste projeto, visamos o estudo de novos biossensores contendo enzimasoxiredutases (acetilcolinesterase e glicose oxidase) imobilizadas sobre diferentes nanocompósitospoliméricos (poli(o-metoxianilina) e quito sana) contendo nanotubos de carbono pela técnica deautomontagem. No caso da quitosana também será investigado a forma de nanofibras eletrofiadas.Palavras-chave: nanocompósitos, biossensores, poma, quitosana, glicose, pesticidas.IntroduçãoA nanotecnologia envolve o estudo,manipulação, desenvolvimento e utilização demateriais, dispositivos e sistemas com pelo menosuma dimensão de até 100 nm (KUCHIBHATLA,2007). A literatura (KUCHIBHATLA, 2007;JIARONG, 2004) já reporta novas propriedadesobtidas por materiais nanoestruturados, que leva auma revolução tanto científica quanto tecnológica.Porém muito ainda precisa ser compreendido sobre ocomportamento de materiais na escala nanométrica.Assim, muitos materiais, fenômenos e aplicaçõesvem atualmente sendo estudados com o objetivo dese compreender os fundamentos e leis na escalananométrica (KUCHIBHATLA, 2007; JIARONG,2004). Por exemplo, o primeiro nanocompósitobaseado na incorporação de nanotubos de carbonoem uma matriz polimérica foi reportado por Ajayan ecolaboradores em 1994 (SCHAEFER, 2007). Desdeentão a literatura reportou uma melhoria naspropriedades mecânicas, térmicas e elétricas dosnanocompósitos em relação ao polímero empregadocomo matriz (SCHAEFER, 2007;MONIRUZZAMAN, 2006). Estas propriedadesúnicas dos nanotubos de carbono combinadas apropriedades apresentadas pelos materiaispoliméricos tornam estes nanocompóstiosexcelentes candidatos em biossensores (ZAO,2002).Biossensores são dispositivos que seutilizam de entidades biológicas para a detecção deespécies químicas ou biológicas. O principalbeneficio dos biossensores é o de apresentar altasensibilidade e seletividade, fácil manuseio eresposta imediata para análises em campoenvolvendo em baixas concentrações. O emprego demateriais nanoestruturados em biossensores permiteo desenvolvimento de dispositivos mais sensitivos eseletivos, revolucionando o campo da análisequímica e biológica em tempo real (ZAO, 2002;GARCIA, 2003). Neste trabalho será dada ênfase aoestudo da influência do tipo e arquitetura donanocompósito presente no eletrodo modificado naresposta eletroanalítica dos biossensores.Embrapa lnstrumentação Agropecuária, São Carlos, 17e 18de setembro de 200944Rede de Nanotecnologia Aplicada ao Agronegocio - Anais do V WorkshopMateriais e métodosAs soluções poliméricas de POMA, PSS, CHe nanotubos de carbono de parede simplesfuncionalizados com COOH serão preparadas emsolução aquosa pH=4,0 na concentração de 0,5mg/mL de acordo com metodologias préviasapresentadas pela literatura (PATERNO, 200 I;SIQUEIRA, 2008; CASELI, 2006). O crescimentodos filmes será acompanhado por espectroscopiaUV-VIS. As interações entre os polieletrólitos e onanotubos de carbono serão investigadas pelastécnicas de FTIR e RAMAN. A morfologia dosfilmes será observada por microscopia de forçaatômica. Finalmente as propriedades eletroquímicasdos filmes nanoestruturados serão avaliadas porvoltametria cíclica.Também serão preparadas nanofibras dasblendas de PVA/CH 60/40 v/v utilizando-se asdiferentes soluções de PVA (14%,16% e 18% m/v).Os parâmetros de eletrofiação serão 10 em dedistância agulha-coletor, vazão de 0,5 mL/h, rotaçãodo coletor de 300 RPM e potencial ·de 35 KY. Aviscosidade das soluções será investigada porreometria de placas paralelas. A tensão superficial e acondutividade das soluções serão monitoradas como auxilio de um tensiômetro e de um condutivímetro,respectivamente. As nanofibras serão caracterizadaspor MEV, DRX, DSC e FTIR. AS enzimas serãoimobilizadas por casting e automontagem noseletrodos de ITO modificados com estesnanocompósitos.Resultados e discussãoAeletroatividade dos materiais poliméricos serelaciona com a capacidade destes de sofreremprocessos de oxiredução quando submetidos a umdeterminado potencial elétrico. As técnicaseletroanalíticas permitem se relacionar estesprocessos de oxiredução com outras característicasdo material como presença de gruparnentos eletroreativos, condutividade elétrica, cristalinidade,porosidade e espessura do filme e desta forma obterinformações quantitativas a respeito daconcentração de espécies químicas ou biológicas emsolução. A fim de estudar o efeito da adição denanotubos de carbono na eletroatividade da matrizpolimérica foram realizados experimentos devoltametria cíclica para diferentes números debicamadas dos filmes de (POMA/PSS ou SWCNT) e(CHlPSS ou SWCNT). Os voltamogramas podemser observados na Figura I.Pelos resultados obtidos pode-se notar que aadição de nanotubos de carbono de parede simplesfuncionalizados com COOH leva a uma aumento nospicos de oxidação e redução da POMA. Já no caso daquitosana, os filmes automontados alternados comPSS não apresentam eletroatividade. a adição denanotubos leva, neste caso leva ao aparecimento deum processo de oxiredução do nanocompósito. Osvalores das correntes e potenciais de pico obtidosneste estudo se encontram na Tabela I.:604020O~ -20- -40-60 -(POMNPS-80 -(POMNN'P,-100-(CH/PSS~-(CH/N1l,-120-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6E / V VS ~g/AgCI(S)Fig. 1. Voltamogramas obtidos para os sistemascontendo filmes automontados em estudoTabela 1.Valores de correntes e potenciais de picoSistemaSistema Corrente de Potencial depico catódica (JlA) pico catódico (mV)(POMAlPSS), 27,3 81,5(POMA/SWCNT), 50,9 99,1(CH/PSS), --- ---(CH/SWCNT), 15,51 19A eletrofiação depende de uma série de fatorescomo características geométricas, propriedadesreológicas e da carga elétrica as quais a soluçãopolimérica apresenta. As cargas elétricas sãotransportadas na solução através dos íons edependem diretamente de parâmetros geométricosdo jato. Ao se aplicar um potencial suficientementealto as forças elétricas vencem o efeito da tensãosuperficial e ocorre a formação de um jato(THOMPSON, 2007; THERON, 2004). Amorfologia final das fibras depende também docomportamento viscoelástico da solução. Osresultados obtidos mostram que um aumento naconcentração de PVA em solução leva a um aumentona viscosidade acarretando no desaparecimento dosbeads. As micrografias ilustrando o efeito daviscosidade das soluções na morfologia final dasfibras se encontram na Figura 2. Outro pontointeressante a ser ressaltado é que ao se aumentar aconcentração total de polímero em solução temos umaumento no diâmetro médio das fibras, além doefeito da redução do número de beads.Fig. 2. Micrografias de nanofibras de blendas60/40 v/v pva/quitosana: (a) 10% de pva e (b) 18%de pva em soluçãoEmbrapa lnstrumentação Agropecuária, São Carlos, 17e 18de setembro de 200945Rede de Nanotecnologia Aplicada ao Agronegócio - Anais do V WorkshopNa Figura 3 são apresentadas as viscosidadesobtidas em função da taxa de cisalhamento paradiversas composições de blendas.0.32 (a)8'4(b)6 (c)2 (d)IS-(e)- pva puro 10%- blenda pva 16%- blenda pva 14%- blenda pva 12%- pva puro 12%0,2"'~ 0,2~ 0,2'~ 0,150,10,00,0O 20 40 60 80 100Taxa de Cisalhamento''o;Fig. 3. Viscosidade em função da taxa decisalhamento para as blendas 60/40 v/vpva/quitosana: (a) PVA 12%, (b) blenda PVA 16%,(c) PVA 10%, (d) blenda PVA 14%, (e) blenda PVA16%.Nota-se que a adição da solução de 2mg/mLde quitosana à solução de PVA leva a uma reduçãosignificativa em sua viscosidade. Essa reduçãodificulta a formação das fibras durante a eletrofiaçãoe permite o aparecimento dos beads.ConclusõesFoi possível obter, eletrodos modificados comas nanoestruturas poliméricas propostas no trabalho.No caso dos filmes automontados, os experimentosrealizados indicam que os eletrodos modificadosapresentam eletroatividade e podem ser empregadoscomo mediadores redox em biossensores baseadosem enzimas oxiredutases. A adição de nanotubos decarbono trouxe uma melhora na corrente de picocatódica para os filmes de POMA e CH.Em relação as nanofibras de quito sanaobtidas por eletrofiação até o presente momento foipossível eletrofiar-se diretamente em eletrodos deITO. Como próximos passos pretende-se imobilizarenzimas sobre estes eletrodos modificados comnanofibras ou filmes nanoestruturados e destasforma realizar os estudos de caracterização eotimização destes biossensores.AgradecimentosCNPq, FINEP, FIPAI, EMBRAPA, Grupo dePolímeros Bemard Gross, Prof. Dr. Éliton SoutoMedeiros.ReferênciasKUCHIBHATLA, S. V. N. T. et al. Progress inMateriaIs Science, [S. L], v. 52, p. 699-913,2007.JIARONG, C. et al. BiotechnoIogy Advances, NewYork,v.22,p.505-518,2004.SCHAEFER, D.W.; lUSTICE, R. S.MacromoIecules, Easton, v. 40, p. 8501-8517,2007.MONIRUZZAMAN, M.; WINEY, K. I.MacromoIecules, Easton, v. 39, p. 5194-5205,2006.ZAO, I. Q. et al. ElectroanaIysis, NewYork, v. 14, p.1609-1613,2002.GARCIA, M. N. v; MOTTRAM, T. BiosystemsEngineering, London, v. 84, n. 1, p. 1-12,2003.PATERNO, L. G; MATTOSO, L. H. C. J. AppliedPolymer Science, New York, v. 83, p. 1309-1316,200l.SIQUElRA, lr, 1. R. et al. J. Phys. Chem. C,Washington, v. 112, p. 9050-9055,2008.CASELI, L. et al, J. of Colloid and Interface Sci.,NewYork, v. 303, p. 326-331,2006.THOMPSON, C. 1. et al. PoIymer, [S. 1.], v. 48, p.6913-6922,2007.THERON, S. A.; ZUSSMAN, E.; YARIN, A. L.PoIymer, [S.l.], v. 45, p. 2017-2030, 2004.Embrapa Instrumentação Agropecuária, São Carlos, 17 e 18 de setembro de 200946

Biossensores enzimáticos baseados em nanocompósitos polimétricos.

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