Sensores eletroquímicos podem monitorar espécies químicas em tempo real

Dispositivos miniaturizados permitem monitoramento online de substâncias químicas, com aplicações que vão desde a análise de células doentes até a agricultura em larga escala

O projeto está alinhado aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU [Imagem: Acervo Pessoal/Gabriela Cecchin]

Pesquisadores do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP) estão desenvolvendo sensores eletroquímicos que fornecem dados em tempo real, com baixo custo e alta acessibilidade. A miniaturização desses dispositivos e a busca pela produção em larga escala são as principais vertentes estudadas pela equipe.

Sensores eletroquímicos são dispositivos que permitem a obtenção de informações em tempo real, sem a necessidade de levar amostras para laboratórios, como explica Mauro Bertotti, professor titular no Departamento de Química Fundamental do IQUSP. Por meio de reações eletroquímicas, ou seja, por um processo de transferência de elétrons, esses dispositivos conseguem medir a concentração de substâncias diretamente na amostra, como glicose no sangue.

“A corrente elétrica gerada é proporcional à concentração da espécie na solução. Quanto maior a corrente, maior a concentração”, detalha o especialista. Para evitar o processo de interferência, em que outras substâncias presentes na amostra interferem no resultado da espécie química desejada, a superfície do eletrodo é modificada para reagir somente a uma determinada substância. “É o que chamamos de seletividade. Na nossa área, esse é um conceito importantíssimo.”

Menores que um fio de cabelo

O foco da vertente de Bertotti é a miniaturização desses sensores. Em uma amostra grande, como na medição de nitrato em um balde de água ou de nitrito na saliva humana, dispositivos maiores conseguem funcionar bem. “Mas quando se trata de amostras difíceis de coletar, como suor ou lágrima, um eletrodo menor faz toda a diferença. Em alguns casos, o sensor precisa ser até menor que uma célula, para monitorar, por exemplo, o consumo e a liberação de oxigênio”, destaca o professor.

Os pesquisadores participantes já conseguiram reduzir o tamanho dos sensores para a escala de poucos micrômetros, o que já possibilita a visualização de algumas células maiores. Isso é chamado de “resolução espacial”: quanto menor o tamanho de alcance desses dispositivos, mais visível será a observação da atividade química dentro de células, por exemplo.

Em laboratório, os integrantes do projeto utilizam um fio de carbono selado com vidro para identificar as espécies químicas [Imagem: Acervo Pessoal/Gabriela Cecchin]

O desafio da reprodutibilidade

Ariel Dayan, pós-graduando no IQUSP, participa da equipe de desenvolvimento dos sensores eletroquímicos voltados para a produção em larga escala. O foco dessa vertente é conseguir alcançar a reprodutibilidade dos sensores. “Queremos garantir que, ao produzir um sensor, outro feito com os mesmos procedimentos tenha a mesma resposta”, explica.

Ele menciona o uso de tecnologias como impressoras 3D e corte a laser para alcançar essa reprodutibilidade. “Com a laser, conseguimos transformar materiais não condutores, como o papel, em condutores. E com a impressora 3D, fazemos sensores de forma rápida e barata”, continua. O objetivo é tornar esses dispositivos viáveis fora do ambiente acadêmico e abrir caminho para sua utilização comercial.

Essa linha de pesquisa diminui o caráter artesanal da produção e viabiliza o uso desses sensores na indústria, na agricultura e em hospitais [Imagem: Acervo Pessoal/Gabriela Cecchin]

Monitoramento contínuo

Também há uma vertente do estudo dedicada aos sensores vestíveis (wearable, em inglês), que podem ser acoplados ao corpo para monitorar substâncias químicas de forma contínua. “Já existem sensores de glicose que ficam presos ao braço e funcionam muito bem”, comenta Bertotti. “Os pesquisadores estão explorando sensores que podem ser implantados na pele ou até em lentes de contato, permitindo a medição de substâncias diretamente na lágrima.”

Apesar do progresso, o professor destaca um obstáculo. “A principal dificuldade é transladar essas inovações do laboratório para o uso cotidiano. Nas condições controladas do laboratório, os sensores são usados de uma determinada maneira, mas, no mundo real, as variáveis são inúmeras.”

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