O Nanotecnologia e Biossensores

4. Nanotecnologia e biossensores

Geralmente os nanomateriais são muito importantes uma vez que se diferenciam de forma considerável de seus precursores, os materiais bulk. Suas propriedades são determinadas por seu tamanho e morfologia, originando um admirável equilíbrio físico-químio. Essas propriedades e sua importância, assim como estrurura e aplicações, serão discutidas em seguida.

Recentemente nanomaterias como nanopartículas, nanotubos e nanofios têm sido vistos como excelente material suporte para imobilização de enzimas no desenvolvimento de biossensores devido à suas propriedades que preserva a estabilidade da enzima, mantendo-a ativa, e aumenta o desempenho dos dispositivos de detecção.  Dentre essas propriedades pode-se mencionar a alta área específica, baixa resistência à transferência de massa, biocompatibilidade, propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Assim, devido as atrativas vantagens, os nanomateriais tem sido integrados com hemo proteínas para construir biossensores de peróxido de hidrogênio baseados na transferência direta de elétrons (NICOLINI; 2013).

Devido às suas propriedades únicas de aumentar a reatividade eletroquímica das biomoléculas e promover aumento na transferência direta de elétrons entre o centro redox de proteínas e a superfície do eletrodo, além de serem fundamentais para a função e integração de alta densidade em dispositivos nanoescala, as nanoestruturas têm sido foco de intensas pesquisas em sensoriamento, optoeletrônica e outras aplicações. Por causa de sua alta relação superfície-volume e facilidade no transporte de elétrons, suas propriedades elétricas são fortemente influenciadas por perturbações mínimas no sistema. Esta propriedade fornece aos biossensores rapidez na detecção eletrônica direta, além de sensibilidade na detecção de compostos químicos e bioquímicos como glicose, peróxido de hidrogênio e células cancerosas (NICOLINI; 2013).

Dentre os nanomateriais, os nanotubos são indicados para a modificação de vários eletrodos por conta de sua alta condutividade eletrônica em reações de transferência de elétrons em soluções aquosas e não-aquosas (NICOLINI; 2013). Quanto à estrutura, os nanotubos podem ser classificados como de parede simples e de parede composta. A figura 1 mostra, como exemplo, os nanotubos de carbono e sua morfologia.

Figura 1 — Representação esquemática da estrutura de nanotubos de carbono (a) nanotubo de parede simples, (b) nanotubo de parede múltipla.

[pic 1]

Fonte: ZARBIN; 2007.

4.1. Nanotubos de titanato

 As nanoestruturas de titanato têm sido constantemente recomendadas como interface para a imobilização de biomoléculas. A titânia ou óxido de titânio (TiO2) é um dos compostos mais comuns do titânio e com considerável atenção devido suas características ópticas, elétricas, eletroquímicas e de catalíticas.  Em razão do seu alto índice de refração é usado como pigmento branco na fabricação de tintas, polímeros e cosméticos, etc.  É um semicondutor com energia de bandgap em torno de 3,2 eV, e possui elevada fotosensibilidade na região do ultravioleta, o que o faz bastante usado em processos de fotocatálise. Também pode ser aplicada em eletrodos em células solares, material anticorrosivo, biomaterial, sensores, dentre outras aplicações (ALVES; 2009 apud NICOLINI; 2013).

 O TiO2 tem três polimorfos mais frequentes: anatásio que tem estrutura tetragonal, rutilo também com estrutura tetragonal e a bruquita que possui estrutura ortorrômbica. A figura 1 mostra a diferença das fases estruturais pela disposição das unidades octaédricas. Tanto as titânias quanto os titanatos lamelares são constituídos das mesmas unidades básicas, os octaedros de TiO6. A diferença das estruturas está nos padrões de construções das unidades octaédricas, que se conectam por vértices e arestas e se arranjam de várias maneiras no espaço dando origem aos diferentes polimorfos de dióxido de titânio e distintas formas de titanatos lamelares (MORGADO; 2007 apud NICOLINI; 2013). A estrutura lamelar facilita a troca iônica nos titanatos, conseguindo reduzir as distâncias interlamelares e formar estruturas para diferentes finalidades (ALVES; 2009 apud NICOLINI; 2013).

Figura 2 — Estruturas cristalinas de (a) anatásio, (b) rutilo e (c) bruquita.

[pic 2]

Fonte: (Carp et al., 2004 apud CARMO; 2009).

Nanotubos de titanato (NTT) dispõem de estruturas cristalinas com diferentes estequiometrias, no entanto, sua forma protonada, tem uma estrutura monocíclica de trititanato de hidrogênio e são identificados pela fórmula geral HxTiyO(2y+1)  (NICOLINI; 2013). A tabela 1 mostra as principais estruturas de titânias e titanatos.

Tabela 1 — Propriedades cristalográficas de titânias e titanatos lamelares.

[pic 3]

Fonte: (MORGADO; 2007 apud NICOLINI; 2013).

A síntese de nanoestruturas de TiO2 e de titanatos pode ser feitas por vários métodos, como: método sol-gel, deposição eletroquímica, deposição química de vapor, deposição física de vapor, síntese por combustão, anodização e tratamento alcalino hidrotérmico (BAVYKIN et al.; 2006 apud NICOLINI; 2013). Constata-se que em todos os tipos de síntese, as condições experimentais são importantes, pois afetam a morfologia do material resultante. Em relação à área específica, há um aumento considerável com incrementos de até 500% em relação à área da titânia de partida. Além disso, temperaturas mais altas de reação podem levar à formação de estruturas como nanofios (MORGADO; 2007 apud MACHADO; 2015).