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Title: Biossensor eletroquímico de ureia com detector potenciométrico para monitoramento de doença renal causada pelo SARS-COV-2
Other Titles: Urea electrochemical biosensor with potentiometric detector for monitoring kidney disease caused by SARS-COV-2
???metadata.dc.creator???: SANTOS, Kleilton Oliveira.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FOOK, Marcus Vinicius Lia.
???metadata.dc.contributor.referee1???: CARDOSO, Márcio José Batista.
???metadata.dc.contributor.referee2???: TAVARES, Albaniza Alves.
???metadata.dc.contributor.referee3???: SILVA, Suedina Maria de Lima.
???metadata.dc.contributor.referee4???: NEVES, Gelmires de Araújo.
Keywords: Ureia;Biossensores;COVID-19;Insuficiência renal;Urea;Biosensors;COVID-19;Renal failure
Issue Date: 24-May-2024
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: SANTOS, Kleilton Oliveira. Biossensor eletroquímico de ureia com detector potenciométrico para monitoramento de doença renal causada pelo SARS-COV-2 /. 2024. 123 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2024.
???metadata.dc.description.resumo???: O COVID-19 é conhecido por causar danos alveolares difusos e insuficiência respiratória aguda, podendo afetar os rins e levar à Insuficiência Renal Aguda (IRA), uma condição grave e potencialmente fatal. A prevenção e o diagnóstico precoce são fundamentais, pois muitas doenças renais só se tornam evidentes clinicamente quando mais de 50% a 75% da função renal já está comprometida. Com base nesses desafios, o desenvolvimento de biossensores para diagnóstico renal tem sido uma área de pesquisa significativa. Esses dispositivos possibilitam um diagnóstico precoce, permitindo intervenções terapêuticas mais eficazes e melhorando os desfechos clínicos dos pacientes. Este trabalho teve por objetivo desenvolver um biossensor eletroquímico de ureia com detector potenciométrico para auxiliar no monitoramento da insuficiência renal associada ao coronavírus SARS-CoV-2. O biossensor foi produzido utilizando a técnica de impressão em tela, resultando na formação de dois eletrodos (sensor e referência) em uma fita condutiva de cobre. Posteriormente, foi realizada a eletrodeposição de antimônio nos eletrodos e aplicação de tinta de prata contendo a enzima urease sobre o eletrodo sensor. A enzima urease foi extraída do feijão de porco e caracterizada por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), atividade enzimática/parâmetros cinéticos e potencial hidrogeniônico (pH). Os biossensores foram caracterizados por microscopia ótica (MO), difração de raios X (DRX), resistência e condutividade elétrica, sensibilidade e faixa de linearidade, período de estabilidade/tempo de resposta e reprodutibilidade. O detector potenciométrico foi desenvolvido a partir de um software <Proteus= e do software <Arduino IDE=, que em seguida foram transferidos para um microcontrolador arduino nano. Sua carcaça foi desenvolvida no software Shapr 3D e impressa em uma impressora 3D, utilizando o polímero poliácido lático (PLA), ao qual foi inserido o seu sistema eletrônico e software necessários para seu funcionamento. O extrato de feijão de porco contendo a enzima urease, apresentou bandas de absorção característicos da enzima urease e comportamento de Michaelis – Menten, apresentando afinidade com seu substrato ureia a concentrações máximas de 60mmol.L-1. Os biossensores apresentaram uma estrutura lisa e plana sob uma determinada orientação com efetiva eletrodeposição de antimônio sobre toda a superfície do cobre e presença de partículas de prata em toda a superfície do eletrodosensor. Na análise de DRX, foram observados picos característicos de materiais cristalinos, o que favorece o desempenho dos biossensores ao manterem suas propriedades de condutividade, essenciais para o seu funcionamento. A resposta potenciométrica do biossensor foi analisada em relação a diferentes concentrações de solução de ureia, demonstrando uma faixa linear e sensibilidade nas concentrações variando entre 15 e 75 mg/dL. O limite de detecção foi investigado e estabelecido em 75 mg/dL. Além disso, o tempo de resposta do biossensor foi determinado como sendo 60 segundos, apresentando boa reprodutibilidade. O detector potenciométrico foi capaz de realizar medidas diretas, convertendo a diferença de potencial (ddp) obtida na reação dos biossensores, em concentração de ureia presente nas amostras em mg/dL. Com esses resultados podemos inferir que a metodologia aplicada no desenvolvimento do biossensor eletroquímico e do seu detector foi eficaz como biossensor eletroquímico de ureia.
Abstract: COVID-19 is known to cause widespread damage to the tiny air sacs in the lungs and acute respiratory failure, which can also affect the kidneys and result in Acute Renal Failure (ARF), a severe and potentially deadly condition. Early prevention and diagnosis are crucial, as many kidney issues only become apparent when more than half to three-quarters of kidney function is already compromised. Given these challenges, there has been significant research into developing biosensors for renal diagnosis. These devices enable early detection, allowing for better treatment and improving patients' outcomes. This study focuses on creating an electrochemical urea biosensor with a potentiometric detector to aid in monitoring renal failure associated with the SARS-CoV-2 virus. The biosensor was made using the screen-printing technique, forming two electrodes (sensor and reference) on a conductive copper tape. Antimony was then deposited on the electrodes, and silver paint containing the enzyme urease was applied to the sensor electrode. The urease enzyme, extracted from jack beans, was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), enzyme activity/kinetic parameters and hydrogen potential (pH). The biosensors were characterized by optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), electrical resistance and conductivity, sensitivity and linearity range, stability period/response time and reproducibility. The potentiometric detector was developed using <Proteus= software and <Arduino IDE= software, which were then transferred to an Arduino nano microcontroller. Its housing was developed using the Shapr 3D software and printed on a 3D printer using the polymer polylactic acid (PLA), into which the electronic system and software necessary for its operation were inserted. The jack bean extract containing the urease enzyme showed absorption bands characteristic of the urease enzyme and Michaelis – Menten behavior, showing affinity with its substrate urea at maximum concentrations of 60mmol.L-1. The biosensors presented a smooth and flat structure under a certain orientation with effective electrodeposition of antimony over the entire copper surface and the presence of silver particles over the entire surface of the sensor electrode. In the XRD analysis, characteristic peaks of crystalline materials were observed, which favors the performance of the biosensors by maintaining their conductivity properties, essential for their functioning. The potentiometric response of the biosensor was analyzed in relation to different concentrations of urea solution, demonstrating a linear range and sensitivity at concentrations ranging between 15 and 75 mg/dL. The detection limit was investigated and established at 75 mg/dL. Furthermore, the response time of the biosensor was determined to be 60 seconds, showing good reproducibility. The potentiometric detector converted the potential difference obtained from the biosensor reaction into urea concentration in mg/dl, indicating the effectiveness of the methodology used in their development as an electrochemical urea biosensor.
Keywords: Ureia
Biossensores
COVID-19
Insuficiência renal
Urea
Biosensors
COVID-19
Renal failure
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia de Materiais
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/41154
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