abstract: According to sources of the Centers for Disease Control and Prevention, approximately 1.7 million traumatic brain injury (TBI) cases occur annually in the United States. TBI results in 50 thousand deaths, nearly 300 thousand hospitalizations and 2.2 million emergency room visits causing a $76 billion economic burden in direct and indirect costs. Furthermore, it is estimated that over 5 million TBI survivors in the US are struggling with long-term disabilities. And yet, a point-of-care TBI diagnostic has not replaced the non-quantitative cognitive and physiological methods used today. Presently, pupil dilation and the Glasgow Coma Scale (GCS) are clinically used to diagnose TBI. However, GSC presents difficulties in detecting subtle patient changes, oftentimes leaving mild TBI undiagnosed. Given the long-term deficits associated with TBIs, a quantitative method that enables capturing of subtle and changing TBI pathologies is of great interest to the field. The goal of this research is to work towards a test strip and meter point-of-care technology (similar to the glucose meter) that will quantify several TBI biomarkers in a drop of whole blood simultaneously. It is generally understood that measuring only one blood biomarker may not accurately diagnose TBI, thus this work lays the foundation to develop a multi-analyte approach to detect four promising TBI biomarkers: glial fibrillary acidic protein (GFAP), neuron specific enolase (NSE), S-100β protein, and tumor necrosis factor-α (TNF-α). To achieve this, each biomarker was individually assessed and modeled using sensitive and label-free electrochemical impedance techniques first in purified, then in blood solutions using standard electrochemical electrodes. Next, the biomarkers were individually characterized using novel mesoporous carbon electrode materials to facilitate detection in blood solutions and compared to the commercial standard Nafion coating. Finally, the feasibility of measuring these biomarkers in the same sample simultaneously was explored in purified and blood solutions. This work shows that a handheld TBI blood diagnostic is feasible if the electronics can be miniaturized and large quantity production of these sensors can be achieved. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Biomedical Engineering 2017

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-09T12:54:25Z No. of bitstreams: 1 THAÍS MARIA ALVES MARINHO - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2016.pdf: 4526314 bytes, checksum: 93577e66a4279c33e84cb662d3ce4735 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-09T12:54:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 THAÍS MARIA ALVES MARINHO - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2016.pdf: 4526314 bytes, checksum: 93577e66a4279c33e84cb662d3ce4735 (MD5) Previous issue date: 2016-03-08 / Capes / Com o ascendente desenvolvimento de novas tecnologias, a procura por novos sistemas de sensoriamento vem aumentando, pois há uma necessidade de obter uma melhor precisão nos resultados de análises biológicas, com baixo custo e em tempo real, diante disso, os biossensores são dispositivos capazes de proporcionar esse tipo de resultado. Doenças ligadas a insuficiência renal necessitam desse tipo de precisão e rapidez, que é caracterizada pela concentração de ureia no sangue ou na urina, eliminado assim uma série de procedimentos laboratoriais. Logo, para montagem de um biossensor de ureia é preciso um biocomponente seletivo e específico, que possa identificar a ureia sem nenhuma interferência, como é o caso da enzima. A enzima capaz de catalisar a hidrolise de ureia é a uréase, formando como produto da reação o gás carbônico e a amônia. Para ser aplicado em um biossensor, a enzima precisa ser imobilizada, pois dessa forma confere uma maior estabilidade operacional e um maior armazenamento da mesma. Essa imobilização pode ser realizada por meio de polímeros. A quitosana é um polímero natural que vêm ganhando destaque para esta aplicação, diante de suas propriedades como baixo custo, abundância na natureza, fácil processamento, capacidade de formação membrana, entre outras. Diante do exposto, o objetivo desse trabalho é imobilizar a enzima urease utilizando como matriz a quitosana e quitosana/glutaraldeído, avaliando diferentes condições de preparação das membranas. As membranas foram depositadas sobre um transdutor que utilizou como suporte fitas de aço inox, eletrodepositadas com antimônio. Logo após, foram realizadas caracterizações por microscopia óptica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), para avaliar as superfícies das membranas. Também, foram realizados testes de bioresposta dos eletrodos, para avaliar a efetividade da enzima imobilizada, através das respostas de sensibilidade, seletividade, estabilidade, tempo de resposta, faixa de linearidade, especificidade e repetibilidade dos biossensores. E foi observado que, a enzima imobilizada com quitosana e com adição do reticulante glutaraldeído, proporcionou melhores respostas, com mais estabilidade operacional e maior armazenamento da enzima, melhorando assim o tempo de vida da mesma. / With the upward development of new technologies, demand for new sensing systems is increasing because there is a need for better accuracy in the results of biological analyzes, with low cost and in real time, before that, the biosensors are devices capable of provide that kind of result. Diseases related to renal insufficiency require such precision and rapidity, which is characterized by the concentration of urea in blood or urine, thus eliminating a series of laboratory procedures. Therefore, for assembling a urea biosensor is needed a selective and specific bio-component that can identify the urea without any interference, as in the case of the enzyme. The enzyme capable of catalyzing the hydrolysis of urea is urease, forming a reaction product of carbon dioxide and ammonia. To be used in a biosensor, the enzyme must be immobilized, as this way confer greater operational stability and a longer storage thereof. This immobilization can be performed by means of polymers. Chitosan is a natural polymer that become increasingly more important for this application, on its properties such as low cost, abundance in nature, easy processing capacity of membrane formation, among others. Given the above, the objective of this work is to immobilize the enzyme urease as a matrix using chitosan and chitosan / glutaraldehyde, evaluating different conditions of preparation of membranes. Membranes were deposited on a transducer used as a support of stainless steel strips, electrodeposited with antimony. Soon after, characterizations were performed by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the surfaces of the membranes. Also, the bioresponse electrode tests were performed to evaluate the effectiveness of the immobilized enzyme, through sensitivity responses, selectivity, stability, response time, linearity range, specificity and reproducibility of biosensors. It was observed that the immobilized enzyme with chitosan and crosslinking addition of glutaraldehyde gave the best responses with more operational stability and increased storage of the enzyme, thereby improving the lifetime thereof.

Dans le domaine stratégique des biocapteurs sans marquage, la détection de l'élément biologique est directement liée à la variation d'un paramètre physique donné du composé sensible (transducteur). Dans le cas de la détection de l'hybridation de l'ADN par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique (sans label redox), la détection se base sur le changement de conductivité de l'élément sensible. Celui-ci est généralement un matériau semi-conducteur. La présence sur sa surface, de charges électriques amenées par des biomolécules chargées, comme les brins d'ADN, induit, par un phénomène connu d' »effet de champ électrique », la création d'une zone de charge d'espace subsurfacique. Celle-ci se caractérise par la courbure vers la surface des niveaux énergétiques. En conséquence de quoi, l'impédance de l'interface électrolyte/ADN/semi-conducteur varie. Antérieurement, nous avions démontré la faisabilité de l'utilisation de films d'oxydes semi conducteurs, tels CdIn204, SnO2 pur ou dopé, présentant des surfaces denses 2D en tant qu'éléments sensibles dans des capteurs à ADN basés sur la détection par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique. Les résultats avaient montré que, si CdIn204 présentait une sensibilité supérieure à celle de SnO2, cet oxyde était en revanche très fragilisé durant les étapes de fonctionnalisation, ce qui n'est pas le cas de SnO2 qui est un oxyde stable et robuste chimiquement. L'objectif du présent travail a été (i) d'améliorer les performances des capteurs à base de SnO2 en utilisant cette fois des films nanostructurés (1 ou 3D) afin de développer la surface spécifique, et (ii) d'étudier comment la topologie de surface influe sur le signal de détection de l'hybridation de l'ADN. Dans un premier temps, différentes nanostructures de SnO2 ont été élaborées par la technique d'électrodéposition que nous avons montée et mise au point de façon à obtenir des films reproductibles. La morphologie désirée des films –nanofils 1D ou matrice nanoporeuse 3D- a été obtenue en modifiant la procédure et les paramètres de dépôt. Leurs caractéristiques microstructurales, morphologiques, chimiques et électriques ont été déterminées par DRX, MEB, XPS et spectroscopie d'impédance. Puis, en vue du greffage covalent d'ADN, un procédé de fonctionnalisation multi-étape a été réalisé. Enfin, dans un troisième temps, la détection de l'hybridation d'ADN sans marquage, réalisée par spectroscopie d'impédance électrochimique sur les deux types de films nanostructurés, a été réalisée. En parallèle, afin de valider l'hybridation de l'ADN, la détection par microscopie à fluorescence, soit en mode épifluorescence, soit en mode confocal, a été menée. En comparaison des surfaces denses 2D de SnO2 (étude antérieure), les résultats ont montré une sensibilité supérieure, avec une limite de détection observée d'ADN de 2 nM, montrant l'importance d'avoir une surface développée. La structuration en nanofils est plus favorable que la matrice nanoporeuse en terme de sensibilité. Par ailleurs, en utilisant des ADN cibles, soit non complémentaires, soit possédant une ou deux mutations, nous avons pu montrer le caractère hautement sélectif de notre capteur dans le cas des deux types de nanostructures. Ce travail fortement expérimental a aussi permis de montrer l'importance de l'organisation structurale et morphologique du matériau sensible sur la réponse du signal à l'hybridation d'ADN. En effet, dans le cas des nanofils, comme dans celui des films denses avec surface 2D, le signal de réponse donne systématiquement une augmentation d'impédance. Cela s'explique par le phénomène d'effet de champ explicité plus haut. En revanche, dans le cas de la matrice naporeuse de SnO2, l'hybridation d'ADN entraine une diminution de l'impédance ... / For environmental in situ diagnostic, as well as for medical point of care diagnostic, quick andaffordable sensing devices are of importance. Label-free biosensors based on electrical orelectrochemical detection methods can provide such features. In previous studies, we havedemonstrated for the first time the feasibility of using semiconductive SnO2 2D dense films fornon-faradic electrochemical impedance DNA detection. The aim of the present study is (i) toimprove the sensing performances by using SnO2 nanostructures in order to benefit from highspecific surface, and (ii) to study the influence of the morphology and microstructure on theimpedimetric DNA detection signal.We performed the cathodic electrodeposition of SnO2 nanostructures. By changing relevantprocessing parameters, two kinds of nanostructures were deposited: 3D nanoporous films and 1Dnanowires. Both nanostructures have been characterized in terms of morphology, microstructureand electrochemical properties.Our results emphasize the importance of both the microstructural and morphological organizationson the impedimetric signal upon DNA hybridization. Opposite tendencies are found. DNAhybridization induces a decrease of the impedance in the case of 3D-nanoporous films, whereasan increase of impedance is obtained in the case of 1D NWs. Indeed, following the dimensionalityof the nanostructures, either external cause - ion transport - or internal cause - field effectphenomenon - can contribute to the impedance variation.The performances of the sensors have also been analyzed, namely: sensitivity, selectivity andreusability. Compared to the 2D dense and 3D nanoporous films, the 1D SnO2 nanowires are morefavorable in term of sensitivity, showing a detection limit of 2 nM.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:19:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAMPOS_Paula_2014.pdf: 1924698 bytes, checksum: d5134f8bff1512ce41535c0a1f61d175 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work the immobilization of enzyme β-Galactosidase has been investigated with use of assembly technique of nanostructured films denominated LbL (Layer-by-Layer) for employment in an amperometric biosensor of lactose. Therefore, spectroscopy measured has made for UV-vis (Ultraviolet-visible) and fluorescence, in order to monitor the bands of absorption and emission of each bilayer deposited and to confirm the presence of enzyme in the films. It has made too FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and SFG (Sum Frequency Generation) for the purpose to understand the films structure, the interactions present and the efficiency of technique in the immobilization process. For the lactose detection amperometric measured have carried and that way the performance of modified electrode have evaluated in relation to enzyme immobilization, the polyelectrolytes performance Poly (allylamine hydrochloride) (PAH) and Poli (etileno imina) (PEI) and poly(ethyleneimine) and the operations conditions of biosensor which sensibility, limit of detection, interferences and stability. The evaluation of enzyme deposition by UV-vis and fluorescence showed that the films growth has been satisfactory presenting the characteristics bands of da β-Gal regarding to amino acid residues tryptophan, tyrosine and phenylalanine, among others, in λ = 280 nm for absorption and λ = 344 nm for emission and the deposition of material has been growing. The spectrum of FTIR and SFG indicated bands of chemical groups characteristics of polymers and enzyme and proved that the bonds, probably secondary of the elements are sufficiently strong for to keep the films in substrate during the sensory evaluation. In lactose detection it has made electrode of (PEI/β-Gal)n e (PAH/β-Gal)n both of ten and third bilayers. The sensibility of film (PEI/β-Gal)10 was 0.061 μA mmol-1 cm-2, while the (PAH/β-Gal)10 was 0.079 μA mmol-1 cm-2. In order to increase the efficiency of the biosensors, electrodes compounds for third bilayers were tested, this way the film (PEI/β-Gal)30 has achieved a sensibility higher than the previous electrodes of 0.31 μA mmol-1 cm-2, is likely that a great amount of enzyme has been immobilized. However, the film ITO/PB/(PAH/β-Gal)30 has not get the same efficiency despite de number of bilayer have been increase. Have been identified two interferences, the glucose and the ascorbic acid, but both can be avoided, the first with use of a biosensor for glucose coupled with lactose biosensor and the second causes an elevation on current, being naturally differentiated. The stability of the biosensor was twelve days, being measured in days alternate. All experiments performed to converge to prove that the LbL technique were adequate to assembly the biosensor and that lactose detection can be done and in levels nearby to real samples, but is possible to improve the system still with studies more expanders about the films structure and to test news biosensors configurations. / Neste trabalho investigou-se a imobilização da enzima β-Galactosidase utilizando a técnica de automontagem de filmes nanoestruturados, denominada LbL (Layer-by-Layer do inglês) para o emprego em um biossensor amperométrico de lactose. Foram feitas medidas espectroscópicas por Ultravioleta e visível (UV-vis) e fluorescência, a fim de monitorar as bandas de absorção e emissão de cada bicamada depositada e confirmar a presença da enzima nos filmes. Fez-se também espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR) e Geração de Soma de Frequências (SFG) para compreender a estrutura dos filmes, as interações presentes e a eficiência da técnica no processo de imobilização. Para a detecção de lactose realizou-se medidas amperométricas e dessa forma avaliou-se o desempenho do eletrodo modificado em relação à imobilização da enzima, a eficiência dos polieletrólitos Poli (alilaminahidroclorada) (PAH) e Poli (etileno imina) (PEI) e as condições de operação do biossensor tais como sensibilidade, limite de detecção, interferentes e estabilidade. A avaliação da deposição da enzima pelo UV-vis e fluorescência mostrou que o crescimento dos filmes foi satisfatório, apresentando as bandas características da β-Gal atribuídas aos resíduos de aminoácidos triptofano, tirosina e fenilalanina, entre outros, em λ = 280 nm por absorção e sendo os mesmo responsáveis pela emissão em λ = 344 nm sendo que a deposição de material foi crescente. Os espectros de FTIR e SFG indicaram bandas de grupamentos químicos característicos dos polímeros e da enzima e comprovaram que as interações, provavelmente secundárias, entre os elementos são fortes o suficiente para manter o filme no substrato durante as avaliações sensoriais. Na detecção de lactose foram feitos eletrodos de ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)n e ITO/PB/(PAH/PVS)1/(PAH/β-Gal)n ambos com dez e trinta bicamadas. A sensibilidade do filme ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)10 foi 0,061 μA.mmol-1.cm-2, enquanto o ITO/PB/(PAH/PVS)1/(PAH/β-Gal)10 foi 0,079 μA.mmol-1.cm-2. A fim de aumentar a eficiência do biossensor eletrodos compostos por 30 bicamadas foram testados, dessa forma o filme ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)30 alcançou uma sensibilidade superior aos eletrodos anteriores de 0,31 μA.mmol-1.cm-2, pois é possível que uma maior quantidade de enzimas tenha sido imobilizada. Entretanto o filme ITO/PB/(PAH/PVS)1/ (PAH/β-Gal)30 não obteve a mesma eficiência mesmo tendo o número de bicamadas aumentado, o que pode ser atribuído à estrutura do polieletrólito. Foram identificados dois interferentes, a glicose e o ácido ascórbico, mas ambos podem ser evitados, o primeiro com o uso de um biossensor para glicose acoplado ao da lactose e o segundo causa uma elevação na corrente, sendo naturalmente diferenciado. A estabilidade do biossensor foi de 12 dias, com medida em dias alternados. Todos os experimentos realizados convergem para provar que a técnica LbL foi adequada para a construção do biossensor e que a detecção da lactose pode ser feita em níveis de concentração próximos à de amostras reais, mas ainda é possível aprimorar o sistema com estudos mais aprofundados sobre a estrutura dos filmes e testar novas configurações de biossensores.

Submitted by VANESSA MORAIS BRAITE null (vbraite@fmb.unesp.br) on 2017-09-27T13:56:27Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Final.pdf: 994807 bytes, checksum: 8a4fd4046da2b6f8872103545cdfc8c4 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-28T14:19:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 braite_vm_me_bot.pdf: 994807 bytes, checksum: 8a4fd4046da2b6f8872103545cdfc8c4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-28T14:19:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 braite_vm_me_bot.pdf: 994807 bytes, checksum: 8a4fd4046da2b6f8872103545cdfc8c4 (MD5) Previous issue date: 2017-09-01 / O desenvolvimento de novos dispositivos para monitorar o metabolismo celular e o diagnóstico de doenças expandiu as pesquisas com biossensores, que aliados à nanotecnologia possibilitaram a criação de novos elementos com alta sensibilidade de detecção, especificidade e capacidade de multiplexação, mostrando grande potencial para sua aplicabilidade no diagnóstico clínico. O trabalho foi desenvolvido em duas etapas. A primeira, referiu-se no desenvolvimento de uma metodologia para acoplar o aptâmero conjugado com as nanopartículas de ouro sobre o sensor da Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR). Foi utilizado MUA para formação das monocamadas auto-organizadas; ativação dos grupos carboxílicos utilizando solução de EDC/NHS e a imobilização do aptâmero conjugado. Após este processo, foram realizadas as injeções de Mucina Epitelial Polimórfica tipo 1 (MUC1). A segunda etapa, consistiu na mesma metodologia de acoplamento do aptâmero, porém substituindo a MUC1 por sobrenadante da linhagem celular LNCaP (células prostáticas tumorais). Desse modo, foi desenvolvida uma metodologia analítica utilizando aptâmeros e biomarcadores para diagnosticar o Câncer de Próstata (PCa) através da SPR. / The development of new devices to monitor cell metabolism and the diagnosis of diseases has expanded research with biosensors, which together with nanotechnology enable the creation of new elements with high detection sensitivity, specificity and multiplexing capacity. The work has developed in two stages. First, concerning the development of a methodology for the coupling or the conjugate with the gold nanoparticles on the Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor. MUA has used for the formation of self-organized monolayers; activation of social media groups, EDC / NHS solution, and a conjugate fit immobilization. After this process, they have performed as injections of Polimorphic Epithelial Mucin type 1 (MUC1). The second step consisted of the same aptamer coupling methodology, but replacing a MUC1 with supernatant of the LNCaP cell line (prostatic tumor cells). Thus, an analytical methodology has developed, using aptamers and biomarkers for the diagnosis of Prostate Cancer (PCa) through the SPR.

Neste trabalho relata-se pela primeira vez a determinação de adenosina por um biossensor baseado em tirosinase. O biossensor foi desenvolvido mediante a modificação de um eletrodo de carbono impresso (SPE) com nanopartículas de ouro (AuNPs), tirosinase (Tyr) e Nafion, denominado biossensor Nafion/Tyr/AuNPs/SPE. As AuNPs sintetizadas possuem diâmetro médio de 15,0 ± 1,1 nm e sua função é melhorar a via de condução de elétrons entre a enzima e o eletrodo. Utilizou-se o aprisionamento com filme Nafion® para evitar a lixiviação enzimática da superfície do eletrodo. A tirosinase imobilizada apresentou boa atividade frente ao substrato catecol. Verificou-se que a adenosina atua como um inibidor do tipo não-competitivo. O biossensor é estável durante pelo menos 45 dias. Além disso, foi realizada a eletro-oxidação da adenosina para sua determinação. O biossensor apresenta sensibilidade superior em comparação com SPE, AuNPs/SPE e Nafion/AuNPs/SPE. As curvas de calibração revelaram duas faixas lineares para as concentrações de adenosina, de 1,0 × 10-5 mol L-1 até 5,0 × 10-5 mol L-1 e entre 6,0 × 10-5 mol L-1 e 1,2 × 10-4 mol L -1. O limite de detecção (3 × (desvio padrão + média dos brancos)/coeficiente angular da curva) foi de 7,0 × 10-7 mol L-1. / In this work we report for the first time the determination of adenosine by a biosensor based on tyrosinase. The biosensor was developed by modifying a screen-printed carbon electrode (SPE) with gold nanoparticles (AuNPs), tyrosinase (Tyr) and Nafion, denoted as Nafion/Tyr/AuNPs/SPE biosensor. The synthesized AuNPs have a mean diameter of 15.0 ± 1.1 nm and their function is to improve the electron conduction pathway between the enzyme and the electrode. The entrapment with Nafion® film was selected to prevent the enzyme lixiviation from the electrode surface. Immobilized tyrosinase showed good activity with the catechol substrate. It was found that adenosine acts as a non-competitive type inhibitor. The biosensor is stable for at least 45 days. In addition, the electro-oxidation of adenosine was performed for its determination. The biosensor has superior sensitivity compared to SPE, AuNPs/SPE and Nafion/AuNPs/SPE. Calibration curves revealed two linear ranges for adenosine concentrations of 1,010-5 mol L-1 up to 5,010-5 mol L-1 and from 6,010-5 mol L-1 to 1,210-4 mol L-1. The detection limit (3 × (standard deviation + mean of blanks)/slope of the curve) was 7,010-7 mol L-1.

Este trabalho teve como objetivo estudar e caracterizar filmes de nanocompósitos de polipirrol dopado com índigo carmim e dodecilsulfato combinados com nanopartículas de ouro para aplicação como biossensores eletroquímicos de pesticida. Primeiramente sintetizou-se três filmes a 10 e 25 ºC por voltametria cíclica: polipirrol dopado com índigo carmim (PPi-IC), polipirrol dopado com índigo carmim contendo nanopartículas de ouro (PPi-IC-NPAu) e polipirrol dopado com índigo carmim e dodecilsulfato de sódio, contendo nanopartículas de ouro (PPi-IC-DS-NPAu). Nesses filmes foram realizadas caracterizações estruturais, morfológicas, ópticas e eletroquímicas, utilizando espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia UV-VIS-NIR e voltametria cíclica. Os filmes sintetizados a 10 ºC foram modificados com a enzima acetilcolinesterase (AChE), sendo posteriormente caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia Raman e voltametria cíclica. Os resultados obtidos mostraram que a interação da enzima com os filmes de polipirrol é dependente de sua composição. A presença de DS não favoreceu a sua imobilização, sendo assim, os filmes de PPi-IC e PPi-IC-NPAu foram os materiais mais adequados para a imobilização física da AChE, sendo capazes de detectar o pesticida metil paration (MP) através da porcentagem de pesticida inibido pela ação da AChE em relação ao cloreto de acetiltiocolina (ATCl). Essa detecção foi realizada por voltametria cíclica, onde a resposta do biossensor é medida a partir da diminuição da corrente produzida. Isso ocorre porque o MP se encontra em contato com a AChE e inibe a ação da mesma, impedindo a hidrólise da ATCl, o que faz diminuir a corrente, pois não há produção de tiocolina, que é produto da hidrólise e uma espécie eletroativa. Os filmes apresentaram sensibilidades (% de inibição por mmol L-1 de pesticida) de 1,9×106 (R2 0,976) e 2,7×106 (R2 0,964) e limites de detecção de 4,15 e 14,8 ng L-1, para PPi-IC-AChE e PPi-IC-NPAu-AChE respectivamente. / The goal of this work was to study and characterize nanocomposite films of gold nanoparticles with indigo carmine and dodecylsulfate doped polypyrrole for application as electrochemical biosensor for pesticide. Initially, three films were synthesized by cyclic voltammetry at 10 and 25 ºC: polypyrrole doped with indigo carmine (PPy-IC), polypyrrole doped with indigo carmine containing gold nanoparticles (PPy-IC-AuNP) and polypyrrole doped with indigo carmine and sodium dodecylsulfate containing gold nanoparticles (PPy-IC-DS-AuNP). These films were studied by structural, morphological, optical and electrochemical characterization, using infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, UV-VIS-NIR spectroscopy and cyclic voltammetry. The films synthesized at 10 ºC were modified with acetylcholinesterase (AChE) enzyme; followed by characterization with scanning electron microscopy, Raman spectroscopy and cyclic voltammetry The results showed a preferential immobilization of the enzymes on films without DS, therefore, PPy-IC and PPy-IC-AuNP were the most suitable materials for the physical immobilization of AChE and for detection of methyl parathion (MP) pesticide through the percentage of pesticide inhibited by the action of AChE on acetylthiocholine chloride (ATCl). This detection was carried out by cyclic voltammetry, where the biosensor response is measured as a decrease of the produced current. The decrease in current occurs because MP reaches the AChE, inhibiting the action of the enzyme, avoiding the hydrolysis of ATCl, leading to the decrease of current as no thiocholine (an electroactive specie, product of the hydrolysis) is produced. The films presented sensitivities (inhibition percentage per mmol L-1) of 1.9×106 (R2 0.976) and 2.7×106 (R2 0.964) and detection limits of 4.15 and 14.8 ng L-1 for PPy-IC-AChE and PPy-IC-AuNP-AChE respectively.

Após setenta anos de sua descoberta, o vírus da zika surgiu no Brasil, espalhou-se rapidamente pelas Américas e trouxe complicações incomuns em doenças causadas por Flavivirus, como a microcefalia. A Organização Mundial da Saúde classifica a zika como a doença viral mais preocupante da atualidade e considera urgente desenvolver novos métodos de diagnóstico para ela e doenças correlatas como a dengue. Embora existam exames para identificar infecções pelos vírus dessas duas doenças, ainda não há um método rápido, específico e de baixo custo para o diagnóstico precoce. Visando preencher essa lacuna, este trabalho teve como objetivo construir dois tipos de biossensores eletroquímicos de DNA para detecção label-free desses dois vírus. Foram fabricados eletrodos descartáveis em substrato de politereftalato de etileno metalizado com filme fino de ouro nas configurações com um e três contatos. As sequências genéticas de iniciadores e sondas de captura foram desenhadas especialmente para este trabalho com base na análise dos genomas dos vírus. O primeiro biossensor utilizou o eletrodo em uma célula eletroquímica e foi capaz de identificar sequências de DNA da zika ou da dengue. As análises por espectroscopia de impedância eletroquímica mostraram que o biossensor é seletivo à sequência alvo com limite de detecção de (9,86 ± 0,89) nmol L-1. O segundo biossensor utilizou um eletrodo de três contatos para identificação de sequências de DNA em uma gota da amostra. No contato central, usado como eletrodo de trabalho, foi imobilizada a sequência de captura e os contatos laterais funcionaram como eletrodos de referência e auxiliar. Nesse sistema as medidas de impedância indicaram limite de detecção de (25,0 ± 1,7) nmol L-1. Os biossensores desenvolvidos mostraram seletividade para identificar o material genético dos vírus da zika e da dengue nos ensaios com DNA sintético e, portanto, são promissores para a análise de amostras reais, principalmente de produtos da polimerase da cadeia reversa. / After seventy years of its discovery, zika virus has emerged in Brazil, spread rapidly throughout the Americas, bringing unusual complications in diseases caused by flaviviruses, such as microcephaly. The World Health Organization classifies zika as the most harmful viral disease today and considers urgent the development of new diagnostic methods for zika and related diseases, such as dengue. Although there are tests to identify both infections, no current diagnostic method is rapid, specific and cost-efective. This thesis describes two types of electrochemical DNA biosensors for label-free detection of these zika and dengue. Disposable electrodes were fabricated on polyethylene terephthalate substrates covered with a nanometric gold layer by thermal evaporation, manufactured in one- and three-contact configurations. Genetic sequences of primers and complementary capture probes were designed based on the analysis of the virus genomes. The first biosensor we developed used the new electrode in an electrochemical cell and was able to identify zika or dengue DNA sequences. Analyses by electrochemical impedance spectroscopy showed that these biosensors are selective for zika or dengue with a detection limit of (9.86 ± 0.89) nmol L-1. A second type of biosensor used a three-contact electrode to identify DNA sequences in a drop of sample. In the central contact, used as a working electrode, the capture sequence was immobilized and the lateral contacts acted as reference and auxiliary electrodes. In this system the impedance measurements indicated a limit of detection of (25.0 ± 1.7) nmol L-1. The developed biosensors showed selectivity for zika and dengue in the synthetic DNA assays, and therefore are promising for the analysis of real samples, especially the polymerase chain reaction amplicon.

Com a evolução tecnológica há nos dias de hoje um aumento de dispositivos eletrônicos presentes ao nosso redor. Com o passar dos anos diversas funcionalidades vêm sendo agregadas a estes inclusive com maior poder de processamento. Em particular, para sistemas embarcados houve um crescimento da quantidade de sensores para diversos propósitos. Seguindo esta tendência, na área de saúde também houve um aumento significativo de aparelhos e dispositivos de monitoramento, tais como glicosimetros, oxímetros, monitoramento de pressão e batimento cardíaco por exemplo, que através de sensores realizam transdução dos dados pertinentes ao parâmetro envolvido. Este trabalho apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema embarcado com a propriedade de multiplexação de sensores, ou seja, foi desenvolvido um dispositivo microcontrolado o qual visa multiplicar a capacidade de monitoramento de analitos, conseguindo analisar múltiplos sensores para um mesmo experimento. Ao decorrer deste desenvolvimento foram utilizados quatro sensores dispostos simetricamente em um béquer, os dados são coletados e tratados de forma sequencial e individual. Inicialmente utilizamos um sistema embarcado com um microcontrolador (PIC 18F2550) que é responsável por digitalizar a informação e pela conexão via terminal USB. Posteriormente um microprocessador (Raspberry Pi Zero, placa embarcada) fez-se necessário devido ao melhor processamento de dados. Os sensores aqui estudados tratam-se de sensores químicos, que são introduzidos a uma célula eletroquímica, onde se encontram um eletrodo de referência (Prata em uma solução de Cloreto de Prata) e os outros quatro filmes finos que irão compor o sistema multiplexado. Para este estudo em específico o material escolhido para fabricação dos filmes finos foi um polímero condutivo, mais especificamente polianilina (PANI). Esta foi depositada sobre um substrato de oxido de estanho dopado com flúor (FTO) através da eletrodeposição. Para sensores não específicos (não imobilizados para um analito alvo) os dois sistemas embarcados apresentaram respostas satisfatórias. Prosseguindo com o estudo e usando filmes finos para analitos biológicos (ureia e glicose) o microcontrolador não conseguiu separar os sinais de cada filme fino. Apenas o sistema com a Raspberry Pi obteve sucesso, devido a maior resolução no conversor analógico para digital e sua maior capacidade de processamento para determinar com uma maior precisão os valores obtidos. O sistema pode ser facilmente expandido para um maior número de sensores. / With the evolution of technology there is nowadays an increase in the number of electronic devices present around us. Over the years various functionalities have been added to these devices including the increased processing power. In particular, for embedded systems there has been an increase in the number of sensors for various purposes. Following this trend, in the area of health, there has also been a significant increase in systems and monitoring devices, such as glycosimeters, oximeters, pressure monitoring and heart rate, for example, which, through sensors, transduce data pertinent to the parameter involved. This work presents the research and development of an embedded system with the property of multiplexing sensors, that is, a microcontrolled device was developed which aims to multiply the capacity of analytes monitoring, being able to analyze multiple sensors for the same experiment. During this development four sensors were used symmetrically arranged in a beaker, the data were collected and treated sequentially and individually. Initially we used an embedded system with a microcontroller (PIC 18F2550) that is responsible for scanning the information and for the connection via USB terminal. Subsequently a microprocessor (Raspberry Pi Zero, embedded board) was made necessary due to the better processing of data. The sensors studied here are chemical sensors, which are introduced to an electrochemical cell, where a reference electrode is found (Silver in a Silver Chloride solution) and the other four thin films that will make up the multiplexed system. For this specific study the material chosen for the manufacture of thin films was a conductive polymer, more specifically polyaniline (PANI). This was deposited on a substrate of fluorine-doped tin oxide (FTO) by electrodeposition. For non-specific sensors (not immobilized for a target analyte) the two embedded systems presented satisfactory responses. Proceeding with the study and using thin films for biological analytes (urea and glucose) the microcontroller failed to separate the signals from each thin film. Only the system with Raspberry Pi has been successful, due to the higher resolution in the analog to digital converter and its greater processing capacity to determine with greater precision the obtained values. The system can be easily expanded to a larger number of sensors.

Segundo dados da Organização Mundial de Saúde, até o ano de 2030 a diabetes será a sétima enfermidade causadora de morte no mundo. A diabetes se caracteriza pela variação do nível de glicose no sangue dada ingestão de alimentos ou realização de certas tarefas. Além disso, já é sabido pela comunidade científica atual que células cancerígenas possuem metabolismo diferente quando comparadas a células normais, consumindo uma maior quantidade de açúcar devido a essa anormalidade. No presente trabalho serão apresentados, basicamente, dois tipos de biossensores que possuem grande potencial para tornarem-se monitores contínuos de glicose. Ambos os biossensores utilizam a enzima glicose oxidase como catalisador específico da reação de oxidação do carboidrato. O primeiro apresenta estrutura em escala micrométrica, tem por objetivo a quantificação de glicose em solução em ambiente extracelular e se baseia no sistema EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor) com substrato de Fluorine Tin Oxide (FTO). Além do mais, foram utilizados dois protocolos de imobilização da glicose oxidase: quitosana (com uma janela de detecção de 1 a 5mM de glicose) e glutaraldeído (com janela de detecção de 0 a 15 mM de glicose). O segundo apresenta estrutura em escala nanométrica, tem por objetivo a quantificação de glicose em ambiente intracelular e baseia-se no sistema de nanopipetas de quartzo. Com esse dispositivo foi possível estipular a concentração de glicose livre dentro de três linhas de células distintas: Fibroblastos humanos entre 0 e 2.8mM; MCF-7 maior que 4.7 mM; MDA-MB-231entre 3.6 e 4.5 mM. / According to the World Health Organization, until 2030 diabetes will be the 7th cause of death worldwide. This disease is characterized by variation on blood glucose levels due to ingestion of specific food and tasks performing. Moreover, it is already known that cancer cells have a different metabolism when compared to normal cells and these abnormal cells have a higher sugar intake due to this abnormality. This work will present, basically, two types of biosensors with great potential to become continuous glucose monitors. Both biosensors use the enzyme glucose oxidase as carbohydrate oxidation catalyzer. The first one presents a micro-metric structure and its goal is to quantify glucose concentration in an extracellular solution. This device is based in EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor) system and uses FTO as substrate. Furthermore, two immobilization protocols were used to fix the enzyme to the FTO: chitosan (with final range of 1~5mM of glucose) and glutaraldehyde (with final range of 0~15mM of glucose). The second is a nano-structured biosensor based on nanopipette system and its goal is to quantify intracellular glucose concentration. With this device was possible to stipulate free glucose molecules inside different cell lines: between 0 and 2.8mM for human Fibroblasts; greater than 4.7 mM for MCF-7; and between 3.6 and 4.5 mM for MDA-MB-231.