WO2023137534A1 - Transdutor modificado, mecanismo de transdução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico com transdutor modificado - Google Patents

Transdutor modificado, mecanismo de transdução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico com transdutor modificado Download PDF

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WO2023137534A1
WO2023137534A1 PCT/BR2022/050523 BR2022050523W WO2023137534A1 WO 2023137534 A1 WO2023137534 A1 WO 2023137534A1 BR 2022050523 W BR2022050523 W BR 2022050523W WO 2023137534 A1 WO2023137534 A1 WO 2023137534A1
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modified transducer
analyte
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Paulo ROBERTO BUENO
Laís CRISTINE LOPES
Beatriz LUCAS GARROTE
Adriano DOS SANTOS
Edgar F. PINZÓN NIETO
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Universidade Estadual Paulista Julio De Mesquita Filho
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    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing

Definitions

  • the present invention deals with a new modified transducer material, its translation mechanism and method of detection and/or quantification of species of analytical interest with said modified transducer, used for the development of sensors or biosensors applied to methods of detection and/or quantification of species of analytical interest, which results in an electrode that contains discrete levels of energy, or continuous when appropriately modified, and its entangled electronic/electrochemical transfer mechanism, based on quantum entanglement between conduction and capacitance .
  • the electrode in question is based on one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) structures so that the entangled states can be used as a signal transducer, where these structures have quantized energy states, characterized by their intrinsic electronic properties, which can be modified by the coupling of quantized states of other molecules through physical or chemical interactions, with a notable gain in analytical efficiency.
  • the modified transducer, translation mechanism and method of detection and/or quantification of species of analytical interest modified transducer, object of the present invention is applied in the area of microelectronics, more precisely for microelectronic devices used for the development of sensors or biosensors applied to methods of detection and/or quantification of species of analytical interest, as it presents an ultrasensitive mechanism of transduction serving as a tool that enables the detection/quantification of analytes in trace amounts in different types of samples.
  • the proposed invention enables the detection of C-reactive protein (CRP, analyte) at a concentration of 1 ag/mL (even if 8.3 zmol/L, considering the molecular mass of CRP of 120 kDa), demonstrating that the invention is a sensitive and versatile tool to be applied in medical diagnosis or other applications for detection of analytes present in low concentration.
  • CRP C-reactive protein
  • the modified transducer, transduction mechanism and method of detection and/or quantification of species of analytical interest aims to present to the relevant market a modified transducer based on quantum entanglement for the development of a sensor or biosensor, with application in the detection or quantification of species of interest analytical .
  • ID one-dimensional
  • 2D two-dimensional
  • Another objective of this invention is to present a modified transducer whose use can be performed by electrochemical impedance spectroscopy measurements, but not exclusively, and which allows the differentiation of changes on the surface of this electrode for the purpose of identifying the analyte through signal transduction.
  • the patent document BR 10.2014.024971-0 deals with carbon electrodes modified with catalysts or mediators of redox processes of inorganic, organic or biological nature obtained by compression of a homogeneous mixture of different proportions of carbon (graphite) and modifying agent.
  • the system basically consists of mixtures of powdered graphite (60 to 99%) with catalysts or mediators of redox processes (1 to 40%) , homogeneously dispersed and compacted by pressing and connected to a transducer or a support electrode containing a cavity filled by the compressed electrode material;
  • Patent document JP2903016B1 deals with a transistor based on a fullerene quantum dot, insulating molecules exhibiting tunneling junction characteristics, conducting molecules exhibiting conductive characteristics, an insulating gate body consisting of an isolated molecule forming an insulating gate and a gate comprising conducting molecules.
  • the insulating molecule and the conducting molecule respectively, function as a source and a drain.
  • the potential of the quantum dot made of fullerene is changed by the potential fluctuation and as a result, the channel current flowing between source and drain undergoes changes corresponding to the gate potential.
  • the width of the tunnel junction and the height of the barrier, etc. can be controlled by altering the molecular structure of the insulator;
  • the patent document EP0109767A1 deals with a chemically modified electrode consisting of an electrically conductive pyrolytic graphite electrode, whose basal plane is exposed, and a redox electron mediator immobilized on the electrode surface.
  • the electron mediator is, for example, viologen dye, bipyridine, phenanthroline, 1-methoxy-5-methyl phenazene methyl sulfate or N-methyl phenazene methyl sulfate.
  • the electrode is used in the detection of biological substances.
  • the modified transducer and its translation mechanism is an electrode that contains discrete levels of energy, or continuous, when appropriately modified, and its entangled electronic/electrochemical transfer mechanism is based on quantum entanglement, having as its main application the development of a sensor or biosensor applied in the detection or quantification of species of analytical interest (analyte).
  • This electrode in question is based on one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) structures so that the entangled states can be used as a signal transducer. These structures have quantized energy states, characterized by their intrinsic electronic properties, which can be modified by coupling quantized states of other molecules through physical or chemical interactions, with remarkable gains in analytical efficiency.
  • a biological sensor or simply biosensor is basically composed of a surface containing a receptor species (which has affinity for the analyte), a transducer (responsible for converting the recognition signal into another measurable one, such as an electrical signal) and the circuit for reading and processing the data.
  • the transducer of these devices is one of their most important components, since it is through it that the analyte recognition signal by the receiver can be detected and measured, providing a response that can be a qualitative signal (ie positive/negative ) or quantitative signal (ie concentration) .
  • transducers such as piezoelectric, optical and thermal, but those based on transduction electrical/electrochemical stand out for offering greater sensitivity and capacity for portability (ie, allowing its use in the field) and for analysis of complex samples (ie, biological, environmental, industrial) .
  • the present invention provides an advantageously modified transducer to be used in the development of sensors and biosensors, being one of the most important components of these devices, since it is through it that the analyte recognition signal by the receiver can be detected and measured, providing a response that can be a qualitative (positive/negative) or quantitative (concentration) signal.
  • the proposed invention enables the detection of analyte at a concentration of 1 ag/ml (even 8.3 zmol/L, considering the molecular mass of CRP of 120 kDa).
  • Figure 1 illustrates: (a) the cyclic voltammetry, (b) the impedimetric Nyquist diagram and (c) the capacitive Nyquist diagram of graphene before and after the adsorption of graphene ferrocene.
  • Figure 2 illustrates in: (a) the capacitive Nyquist diagram and in (b) the Bode diagram of the imaginary part of the capacitance of each stage of modification of the surface of the biosensor;
  • Figure 3 illustrates in: (a) the capacitive Nyquist diagram and in (b) the Bode diagram of the imaginary part of the capacitance in different concentrations of analyte;
  • Figure 4 illustrates in: (a) the analytical curve of variation of G equilibrium (mS), in (b) the analytical curve of C q (nF/ cm 2 ) and in (c) the analytical curve of k equilibrium (ks -1 ) against the concentrations of CRB (ag mln 1 ).
  • k equibbrio was obtained from the relation
  • the quantum entanglement proposed here for use in a transducer modified for application in sensors and biosensors is a phenomenon that correlates two intrinsic properties of the material, that is, quantum capacitance and conductance, both properties being associated with its electronic structure, where the alteration or change of one of them inevitably affects the other.
  • Quantum entanglement described here by means of the time constant of electronic/electrochemical transfer (k, with Hertz units, ie s -1 ), is mathematically described, as a function of the chemical potential ( ⁇ ) as: (Formula 1) where the first term of the equation, written between square brackets, is the quantum conductance , while the second is the electrochemical capacitance .
  • the conductance is associated with the process of transfer/transport of electrons between quantized energy levels through a quantum channel, and is described as: (Formula 2) where the term 2e 2 /h is a constant that represents the maximum quantum conductance (G 0 ) of an ideal quantum channel, while T n ( ⁇ ) is the electron transmission probability matrix in an n quantum channel.
  • the measurements can be performed in a standard three-electrode electrochemical cell, the working electrode being the one consisting of 1D or 2D structures on an insulating substrate with quantum-coupled molecules, platinum electrode as counter electrode, and AglAgCl electrode (3 M KC1) being the reference, using supporting electrolyte.
  • This electrochemical cell can act as a field-effect transistor.
  • a field effect transistor is a device conventionally composed of three terminals which are: source, drain and gate. The source and drain are the terminals through which charge carriers enter and leave the channel, respectively, while the gate modulates the conductivity in the channel.
  • the 1D or 2D structure deposited on a base substrate is exposed to the medium and acts as the channel and the reference electrode will act as the gate.
  • the working electrode is then modified with the receptor molecule in order to detect/quantify the analyte.
  • concentrations are used, incubating the electrode in the samples from the lowest to the highest concentration of the analyte.
  • This system can be used in a configuration containing source and drain in two different conductive terminals deposited on the base substrate. Both configurations may or may not contain an electrolyte, that is, the medium may be liquid, gaseous or another physical or chemical state of matter.
  • the transduction mechanism is based on changing the external potential on the electrode.
  • the alteration of this electric potential imposed on the quantum channel promotes a quantized response between the entangled components C q and G, which promote a change in k, which, in turn, can then be monitored as a transducer signal of recognition of the analyte-receptor.
  • k is a quantum time constant, typical of electronic structure, it can be accessed through transient techniques in time or AC, ie, alternating potential perturbation as is the case of electrochemical impedance/capacitance spectroscopy.
  • the temporal quantum properties G, C q and k, as shown in Figures 4 and 5
  • the electrochemical capacitance can be obtained by the diameter of the semicircle in a capacitive Nyquist diagram, as shown in Figure 3a.
  • the modified transducer, translation mechanism and method of detection and/or quantification of species of analytical interest modified transducer, object of the present invention comprises:
  • the one-dimensional (1D) materials can be single and multiple wall carbon nanotubes, nanorods and nanowires. among others; two-dimensional (2D) materials can be graphene and its derivatives such as graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoribbons, crumpled-type graphene, hexagonal boron nitride, dichalcogenide transition metals, phosphorene, double hydroxide layers, family of monoelemental compounds, metal nitrides/carbides; perovskite-type oxides, 2D polymers, among others; and transition metal oxides (Ti, Cu, Zn, and others) in 1D or 2D configuration that comprise one of the limit dimensions of the material, cross section of 1D structures or thickness of structures 2D, coupled to the substrate in the range between 0.2 to 10 nm.
  • 2D materials can be graphene and its derivatives such as graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoribbons, crumpled-type graphene, hexagonal
  • the modified transducer electrode is modified as an anchored receiver for molecules that couple with the temporal quantized states of energy of one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) materials, bonded both covalently and non-covalently, for specific purposes of entanglement of their temporal quantum states of structures with those present in molecules such as: - aromatic structures condensed or not (naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene and conductive polymers); molecular electroactive species with electron donor and acceptor levels; - electroactive species containing metallic elements (Fe, Ru, Ti, V, Mn, Cr, Co, Ni, Nb or Mo); - peptide and/or oligonucleotide molecules comprising (a) and/or (b) and/or (c); where, said structures may contain suitable functional groups (carboxyl, amine, sulfhydryl, etc.) covalently or non-covalently anchoring the receptors of interest for the recognition of the analy
  • the receptor anchored covalently or non-covalently in the molecule can be aptamers, antibodies, antigens, antibody fragments, genomic structures, oligosaccharides, peptides, cells, bacteria, viral particles, enzymes and proteins for application as biosensors; and the analyte recognized by the receptor anchored in the molecule can be aptamers, antibodies, antigens, genomic structures, antibody fragments, oligosaccharides, peptides, cells, bacteria, viral particles, enzymes and proteins for application as biosensors.
  • the modified transducer electrode qualitatively or quantitatively recognizes the analyte.
  • the one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) material can be used as a sensor for gases or other molecules of biological interest, mainly, but not only, acting as a transducer where the recognition/affinity material will be deposited, or also acting as the recognition/affinity material itself, provided that its electrical properties are affected by the analyte so that there is a transduction of a chemical (or biochemical) signal into an electrical one.
  • the transduction mechanism is based on the variation of the temporal quantized states of energy coupled to the modified transducer electrode and can be evaluated both by means of k and by conductance (G) and capacitance .
  • conductance (G) and capacitance are obtained by the techniques of the detection method from measurements of electrical transfer functions, being possible to extract the values of complex capacitance (C*), complex impedance (Z*), complex conductance (G*), or any immittance function (Im*) and their obtained relations
  • the immittance functions are complex functions (eg, admittance, Y* , modulus, M* and capacitance, C*) that can be obtained from complex impedance (Z*) results, calculated through mathematical relations; where these complex functions contain imaginary and real components that can be applied as transduction signals to any sensor interface, including biosensors .
  • the method of detection and/or quantification of species of interest is a method of detection by time-dependent and transient measurements for sensing the analyte comprising: (a) contact of the medium, which may or may not contain the analyte of interest, with the electrode defined in any one of claims (1) to (18); (b) obtaining one or more electrical or electrochemical measurements from the electrode; and (c) determine by electrical and/or electrochemical measurements whether the analyte is present in the medium; where electrical and electrochemical measurements may contain, at a minimum, a single modified transducer electrode.
  • SWV square wave voltammetry
  • DUV differential pulse voltammetry
  • EIS impedance spectroscopy
  • EIS electrical and electrochemical measurement techniques
  • This invention patent refers to A new transducer material modified its translation mechanism and method of detection and/or quantification of species of analytical interest with said modified transducer, used for the development of sensors or biosensors applied to methods of detection and/or quantification of species of analytical interest, more precisely, it is a modified quantum transducer as an electrode for sensor or biosensor development.
  • graphene quantized energy states
  • FcA ferrocene carboxylic acid
  • 70 mM of FcA is adsorbed on a graphene electrode, which may or may not be multilayer, for 16 hours at room temperature (24 °C) .
  • the adsorption of ferrocene molecules on the graphene surface is a consequence of nn interactions between both structures.
  • the graphene surface before and after adsorption of ferrocene molecules is characterized by time-dependent electrochemical measurements (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) using a three-electrode electrochemical cell, the graphene electrode being the working electrode, the AglAgCl electrode in 3 M KC1 the reference electrode, and the platinum electrode the counter electrode.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • the graphene-ferrocene surface is modified to obtain the specific transducer for the detection of C-reactive protein (CRP).
  • the specific receptor anti-CRP antibody
  • the specific receptor is covalently immobilized to the ferrocene molecules coupled to graphene through the carbodiimide reaction.
  • the receptor solution is prepared in phosphate buffer (PB) pH 7.4 at a concentration of 1:1000 and was incubated for 1h at room temperature immediately after 30 min of immersion in the solution of 0.4 M 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and 0.1 M N-hydroxysuccinimide (NHS) (1/1, v/v).
  • PB phosphate buffer
  • EDC 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
  • NHS N-hydroxysuccinimide
  • the biosensor is blocked for 30 min at room temperature with the blocking solution (SuperblockTM, ThermoFisher).
  • the variations of G and C q are accessed by EIE measurements (and other immittance functions, such as capacitance) to obtain the ⁇ balance and dynamic k values, as shown in Figure 4 and Figure 5, respectively.
  • blank measurements are made to quantify the variation in relation to the measurement solution (PB pH 7.4), the solution in which the CRP concentrations are prepared.
  • the modified graphene surface is immersed for 30 min in PB pH 7.4 at room temperature and then characterized by EIE. This step is repeated twice.
  • the biosensor is built using both the ⁇ equilibrium parameter and the dynamic kk parameter as a transducer signal, as shown in Figures 4c and 5c, respectively, and for the two parameters kbalance and dynamick the linear response range was 1-10 ag/mL. With both analytical signals it was possible to detect analyte at a concentration of 1 ag/ml (even if 8.3 zmol/L, considering the molecular mass of CRP of 120 kDa).

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Abstract

A presente invenção trata de um novo material transdutor modificado e seu mecanismo de tradução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico com dito transdutor modificado, utilizado para o desenvolvimento de sensores ou biossensores aplicados à métodos de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico, o qual resulta em um eletrodo que contém níveis discretos de energia, ou contínuos quando apropriadamente modificado, e seu mecanismo de transferência eletrônico/eletroquímico emaranhado, baseado no emaranhamento quântico. O eletrodo em questão é baseado em estruturas unidimensionais (1D) ou bidimensionais (2D) para que os estados emaranhados possam ser utilizados como transdutor de sinal, onde essas estruturas possuem estados quantizados de energia, caracterizados pelas suas propriedades eletrônicas intrínsecas, que podem ser modificadas pelo acoplamento de estados quantizados de outras moléculas por meio de interações físicas ou químicas, com notável ganho de eficiência analítica.

Description

TRANSDUTOR MODIFICADO, MECANISMO DE TRANSDUÇÃO E MÉTODO DE DETECÇÃO E/OU QUANTIFICAÇÃO DE ESPÉCIES DE INTERESSE ANALÍTICO COM TRANSDUTOR MODIFICADO
[001] A presente invenção trata de um novo material transdutor modificado, sendo seu mecanismo de tradução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico com dito transdutor modificado, utilizado para o desenvolvimento de sensores ou biossensores aplicados à métodos de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico, o qual resulta em um eletrodo que contém niveis discretos de energia, ou contínuos quando apropriadamente modificado, e seu mecanismo de transferência eletrônico/eletroquimico emaranhado, baseado no emaranhamento quântico entre condução e capacitância . O eletrodo em questão é baseado em estruturas unidimensionais (1D) ou bidimensionais (2D) para que os estados emaranhados possam ser utilizados como transdutor de sinal, onde essas estruturas possuem estados quantizados de energia, caracterizados pelas suas propriedades eletrônicas intrínsecas, que podem ser modificadas pelo acoplamento de estados quantizados de outras moléculas por meio de interações fisicas ou químicas, com notável ganho de eficiência analítica.
CAMPO DE APLICAÇÃO DA INVENÇÃO
[002] O transdutor modificado, mecanismo de tradução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analitico transdutor modificado, objeto da presente invenção, é aplicado na área de microeletrônica, mais precisamente para micro dispositivos eletrônicos utilizados para o desenvolvimento de sensores ou biossensores aplicados à métodos de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analitico, por apresentar um mecanismo ultrassensivel de transdução servindo como ferramenta que possibilita a detecção/quantif icação de analitos em quantidade traço em diferentes tipos de amostras.
[003] Como exemplo, a invenção proposta possibilita a detecção da proteína C-reativa (CRP, analito) na concentração de 1 ag/mL (mesmo que 8,3 zmol/L, considerando a massa molecular da CRP de 120 kDa) , demostrando que a invenção é uma ferramenta sensivel e versátil para ser aplicada em diagnóstico médico ou outras aplicações para detecção de analitos presentes em baixa concentração.
OBJETIVO DA INVENÇÃO
[004] O transdutor modificado, mecanismo de transdução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analitico, objeto da presente invenção, tem por objetivo apresentar ao mercado pertinente um transdutor modificado baseado no emanharamento quântico para desenvolvimento de sensor ou biossensor, com aplicação na detecção ou quantificação de espécies de interesse analítico .
[005] É outro objetivo da invenção apresentar um transdutor modificado como um eletrodo composto por materiais unidimensionais (ID) ou bidimensionais (2D) depositados sobre um substrato base geralmente isolante, mas podendo também ser um semicondutor.
[006] É, ainda, objetivo desta invenção apresentar um mecanismo de transdução baseado na variação dos estados quantizados temporais de energia do eletrodo acoplado a molécula, e que pode ser avaliado tanto por meio da constante de transferência elétrica/eletrônica (fc) e pela condutância (G) e capacitância (Cq) .
[007] Outro objetivo desta invenção é apresentar um transdutor modificado cujo uso pode ser realizado por medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica, mas não exclusivamente, e que permite a diferenciação de mudanças na superfície deste eletrodo com a finalidade de identificação do analito por meio da transdução do sinal.
ESTADO DA TÉCNICA
[008] Em pesquisa realizada em bancos de dados especializados foram encontrados documentos de patentes referentes a material transdutor modificado, método de mecanismo de transferência eletrônico/eletroquímico e uso para desenvolvimento de sensor ou biossensor, porém nenhum desses métodos e dispositivos microeletrônicos possuem as características de configuração e funcionamento conforme descritas nesta invenção. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes:
[009] O documento de patente BR 10.2014.024971-0 que trata de eletrodos de carbono modificados com catalisadores ou mediadores de processos redox de natureza inorgânica, orgânica ou biológica obtidos por compressão de mistura homogênea de proporções diversas de carbono (grafite) e agente modificador. O sistema consiste, basicamente, em misturas de grafite em pó (60 a 99%) com catalisadores ou mediadores de processos redox (1 a 40%) , homogeneamente dispersos e compactados por prensagem e conectados a um transdutor ou a um eletrodo suporte contendo cavidade preenchida pelo material eletródico comprimido;
[010] O documento de patente JP2903016B1 trata de um transistor baseado num ponto quântico de fulereno, moléculas isolantes exibindo características de junção de tunelamento, moléculas condutoras exibindo características condutoras, um corpo isolante de porta consistindo em uma molécula isolada formando uma porta isolante e uma porta compreendendo moléculas condutoras. A molécula isolante e a molécula condutora, respectivamente, funcionam como uma fonte e um dreno. Em tal constituição, quando um potencial é impresso na porta, o potencial do ponto quântico feito de fulereno é alterado pela flutuação de potencial e, como resultante, a corrente do canal fluindo entre a fonte e o dreno passam por mudanças correspondentes ao potencial da porta . Além disso , a largura da j unção do túnel e a altura da barreira, etc . , podem ser controladas alterando a estrutura molecular do isolador ;
[ 011 ] O documento de patente EP0109767A1 trata de eletrodo quimicamente modi ficado que consiste em um eletrodo de grafite pirolitico eletricamente condutor, cuj o plano basal está exposto , e um mediador de elétrons redox imobili zado na superfície do eletrodo . O mediador de elétrons é , por exemplo , corante de viologen, bipiridina, f enantrolina, 1- metoxi-5-metil f enazénio metil sul fato ou N-metil f enazênio metil sul fato . O eletrodo é usado na detecção de substâncias biológicas .
[ 012 ] Assim, é fato que os documentos citados nos parágrafos acima, apesar de pertencerem ao campo de aplicação correlato ora solicitado , não apresentam nenhuma das características do obj eto ora inventado garantindo , especialmente no que se refere ao uso das propriedades quânticas emaranhadas entre a condutância quântica e a capacitância quântica e que fornecem uma impressão digital temporal do estado quântico e que somente pode ser acessado por medidas transientes ou do tipo perturbação alternada em frequências características condi zentes com o estado de temporal do estado quântico emaranhado , assim, que o obj eto aqui relatado atende aos requisitos legais de patenteabilidade .
PROBLEMA A SER RESOLVIDO
[013] O transdutor modificado e seu mecanismo de tradução se trata de um eletrodo que contém niveis discretos de energia, ou contínuos, quando apropriadamente modificado, e seu mecanismo de transferência eletrônico/eletroquimico emaranhado, está baseado no emaranhamento quântico, tendo como principal aplicação o desenvolvimento de sensor ou biossensor aplicado na detecção ou quantificação de espécies de interesse analítico (analito) . Este eletrodo em questão é baseado em estruturas unidimensionais (1D) ou bidimensionais (2D) para que os estados emaranhados possam ser utilizados como transdutor de sinal. Essas estruturas possuem estados quantizados de energia, caracterizados pelas suas propriedades eletrônicas intrínsecas, que podem ser modificadas pelo acoplamento de estados quantizados de outras moléculas por meio de interações fisicas ou químicas, com notável ganho de eficiência analítica.
[014] As mudanças ocorridas no ambiente externo desse eletrodo, durante sua utilização, como: a interação receptor-analito, alteram as propriedades elétricas do material, refletindo em variações nos valores de frequência, associados ao seu processo de transferência elétrica/eletrônica k emaranhado. Portanto, o reconhecimento do analito por meio da variação das propriedades quânticas dos materiais ID e/ou 2D componentes do eletrodo modificado por um receptor pode ser monitorado por meio da variação da dinâmica eletrônica associada a k e, dessa forma, essa frequência ou tempo-caracteristico quantizado pode ser utilizada como mecanismo vantajoso e ultrassensivel de transdução, possibilitando de forma vantajosa a detecção/quantif icação de analitos em quantidade traço em diferentes tipos de amostras, através da sua utilização em sensores e biossensores .
[015] Os sensores e os biossensores são dispositivos utilizados em aplicações médicas, no monitoramento ambiental, e em processos industriais. Um sensor biológico ou simplesmente biossensor é basicamente composto por uma superfície contendo uma espécie receptora (que tem afinidade pelo analito) , um transdutor (responsável por converter o sinal de reconhecimento num outro, mensurável, como por exemplo um sinal elétrico) e o circuito destinado à leitura e processamento dos dados. O transdutor desses dispositivos é um de seus componentes mais importantes, uma vez que é por meio dele que o sinal de reconhecimento do analito pelo receptor pode ser detectado e medido, fornecendo uma resposta que pode ser um sinal qualitativo (i.e. positivo/negativo ) ou quantitativo (i.e. concentração) . Atualmente, existem diversos tipos de transdutores, como o piezelétrico , óptico e térmico, mas aqueles que se baseiam na transdução elétrica/eletroquimica se destacam por oferecerem maior sensibilidade e capacidade para portabilidade (i.e., permitindo o seu uso em campo) e para análise de amostras complexas (i.e., biológicas, ambientais, industriais) .
[016] Dentre os biossensores eletroquimicos , aqueles que se baseiam em estruturas eletroativas se sobressaem devido à sua característica reagentless (i.e. sem a necessidade de adicionar ions ou qualquer outra molécula para a execução do ensaio) . Nestes ensaios, apenas há a necessidade de uma espécie eletroativa imobilizada sobre superfície condutora, ou a polimerização de um filme eletroativo sobre um eletrodo, para a obtenção do sinal analítico. Embora essa abordagem seja promissora no desenvolvimento de biossensores, a necessidade de obtenção de tal superfície pode ser um desafio para a comercialização dos dispositivos, uma vez que requerem rigoroso controle da mesma ou reprodutibilidade na obtenção de filme polimérico. No entanto, o uso de materiais que apresentam características quânticas, e que podem ser fabricados em larga escala por métodos de deposição escalonáveis (como a deposição quimica em fase de vapor - CVD, por exemplo) , relacionadas ao processo de transf erência/transmissão eletrônica pode se apresentar como uma solução a essa abordagem. Um exemplo de material que apresenta essas características, mas não se limitando a ele, é o grafeno (mono ou multicamadas ) , que é uma estrutura formada por átomos de carbono com hibridização sp2 dispostos em duas dimensões e apresenta propriedades promissoras para a eletrônica do futuro.
[017] Assim a presente invenção provê um transdutor modificado de forma vantajosa para ser utilizado no desenvolvimento de sensores e biossensores , sendo um dos componentes mais importantes desses dispositivos, uma vez que é por meio dele que o sinal de reconhecimento do analito pelo receptor pode ser detectado e medido, fornecendo uma resposta que pode ser um sinal qualitativo (positivo/negativo ) ou quantitativo (concentração) . A invenção proposta possibilita a detecção de analito na concentração de 1 ag/mL (mesmo que 8,3 zmol/L, considerando a massa molecular da CRP de 120 kDa) .
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[018] A complementar a presente descrição e de modo a proporcionar melhor entendimento da invenção e de seu potencial na utilização como componente de biossensor para detecção da proteína CRP como prova de conceito, é acompanhado a descrição, em anexo, um conjunto de figuras, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, onde se representa:
[019] A Figura 1 ilustra em: (a) a voltametria ciclica, (b) o diagrama de Nyquist impedimétrico e (c) o diagrama de Nyquist capacitivo do grafeno antes e depois da adsorção do ferroceno. 0 inset em: (a) mostra a voltametria cíclica do ferrocene adsorvido no grafeno na faixa de potencial característica do ferroceno (0,0 V - 0,7 V) , (b) a ampliação da região de altas frequências do diagrama de Nyquist impedimétrico, e em (c) a ampliação da região de altas frequências do diagrama de Nyquist capacitive. Condições experimentais: Velocidade de varredura de 100 mV/s, faixa de potencial de -0,3 V a 0,37 V (vs AglAgCl, 3 M KC1) . Eletrólito de suporte 20 mM TBACIO4 em solução de acetonitrila/água (1/4, v/v) ;
[020] A Figura 2 ilustra em: (a) o diagrama de Nyquist capacitive e em (b) o diagrama de Bode da parte imaginária da capacitância de cada etapa de modificação da superfície do biossensor;
[021] A Figura 3 ilustra em: (a) o diagrama de Nyquist capacitive e em (b) o diagrama de Bode da parte imaginária da capacitância em diferentes concentrações de analito;
[022] A Figura 4 ilustra em: (a) a curva analítica de variação de G equilibrio (mS) , em (b) a curva analítica de Cq (nF/ cm2) e em (c) a curva analítica de kequibbrio (ks-1) frente as concentrações de CRB (ag mln1) . Em (c) , kequibbrio foi obtida a partir da relação
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[023] A Figura 5 ilustra em: (a) a curva analítica de variação de
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(b) a curva analítica de Cq (nF/cm2) e em (c) a curva analítica de kdinamico (Ms 1) frente as concentrações de CRP (ag mL-1) , sendo que kdinamico foi Obtida a partir da relação kdinamico = Gdinamico/Cq . DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO
[024] O emaranhamento quântico aqui proposto para uso em transdutor modificado para aplicação em sensores e biossensores é um fenômeno que correlaciona duas propriedades intrínsecas do material, isto é, capacitância e condutância quânticos, sendo ambas propriedades associadas à sua estrutura eletrônica, onde a alteração ou a mudança de uma delas afeta inevitavelmente a outra.
[025] O emaranhamento quântico, descrito aqui por meio da constante temporal de transferência eletrônica/eletroquimica (k, com unidades de Hertz, i.e. s-1) , é matematicamente descrita, em função do potencial quimico (μ) como: (Formula 1)
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onde o primeiro termo da equação, escrita entre colchetes, é a condutância quântica , enquanto a segunda é a capacitância eletroquimica .
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[026] A condutância está associada com o processo de
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transf erência/transporte de elétrons entre os niveis quantizados de energia por meio de um canal quântico, e é descrito como: (Formula 2)
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onde o termo 2e2 /h é uma constante que representa a máxima condutância quântica (G0) de um canal quântico ideal, enquanto Tn(μ) é a matriz de probabilidade de transmissão do elétron em um canal quântico n.
[027] Desta forma, para um único canal quântico ideal n, a transmissão é igual à unidade (i.e. Tn(μ) = 1) . Para N canais quânticos ideais, a transmissão total é então dada pelo somatório Σn Tn(μ) =N, e a condutância quântica total, portanto, data por NG0. Importante notar que esses canais podem ser interpretados como a probabilidade, dada pela matriz de transmissão, da comunicação entre os estados quantizados de energia que ocorre por meio da transmitância do elétron entre diferentes estados quânticos.
[028] Quando o processo de transferência eletrônica envolve o acúmulo de cargas, surge a componente capacitiva, descrita como capacitância eletroquimica (Cμ . A capacitância eletroquimica é a combinação em série de duas capacitâncias : a capacitância geométrica ou eletrostática (Ce) , que depende apenas da geometria do capacitor e, portanto, da configuração em que as cargas separadas se encontram, e a componente quântica
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, relacionada com a ocupação eletrônica dos niveis energéticos. Essa combinação em série dá origem à capacitância eletroquimica descrita como: (Formula 3)
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[029] No caso em que há alta densidade de elétrons energicamente acessíveis num estado confinado, como no caso do grafeno, por exemplo, a componente quântica predomina sobre a capacitância total Cμ, de forma que
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isso ocorre porque Ce » Cq na equação (3) . Importante notar aqui que a capacitância geométrica está relacionada predominantemente com a capacitância da dupla camada elétrica em sistemas eletroquimicos , que é a formação de uma camada de solvente/ions com carga oposta à carga aplicada no eletrodo. [030] Para o caso aqui exemplificado, em que o grafeno modificado foi utilizado como eletrodo para o biossensoriamento do analito, considerando as equações 1 e 2, e que Cμ~Cq, a constante k é dada por k = GICq e é determinada pela relação entre a capacidade de armazenamento de energia (Cg) e pela probabilidade de transporte/ transmissão de elétrons pelos canais quânticos (G) dentro da estrutura bidimensional do grafeno. Como a condutância pode ser descrita como sendo o inverso da resistência Rq (G = l/Rq-), a constante k pode ser escrita como fc = l/RqCq . Essa constante, por sua vez, corresponde à constante de tempo T-1, visto que z = RqCq. Como G e Cq são quantizados e estão quanticamente emaranhados, k = T-1 obtido para a estrutura bidimensional (o mesmo equivale para estrutura unidimensional) também é quantizada, e apresenta uma propriedade intrínseca do material. Como esta propriedade pode ser monitorada em função da concentração de analito, e ela é modificada devido à interação receptor- ligante, ela pode ser utilizada como mecanismo de transdução ultrassensivel de analito em diferentes tipos de amostras. [031] As medidas podem ser realizadas numa célula eletroquimica padrão de três eletrodos, sendo o eletrodo de trabalho aquele constituído das estrutura 1D ou 2D em substrato isolante com moléculas acopladas quanticamente, eletrodo de platina como contra eletrodo, e eletrodo de AglAgCl (3 M KC1) sendo o de referência, utilizando eletrólito de suporte. Essa célula eletroquimica pode atuar como um transistor de efeito de campo. Um transistor de efeito de campo é um dispositivo composto convencionalmente por três terminais que são: fonte, dreno e porta. A fonte e o dreno são os terminais por onde entram e saem os portadores de carga no canal, respectivamente, enquanto que a porta modula a condutividade no canal.
[032] Na presente invenção, a estrutura 1D ou 2D depositada sobre um substrato base fica exposta ao meio e atua como o canal e o eletrodo de referência atuará como porta. Nessa configuração há apenas um terminal condutivo que atuará como fonte e dreno. O eletrodo de trabalho é então modificado com a molécula receptora de forma a detectar/quantif icar o analito. No caso de quantificação do analito, diferentes concentrações são utilizadas, incubando o eletrodo nas amostras da menor para a maior concentração do analito. Cada amostra/concentração é monitorada por meio da técnica de impedância eletroquimica, avaliando as componentes emaranhadas G e Cq (Figuras 4 e 5) . Então, pela relação k = obtém-se k. Esse sistema pode ser usado em uma configuração contendo fonte e dreno em dois terminais condutivos distintos depositados sobre o substrato base. Ambas as configurações podem conter ou não um eletrólito, ou seja, o meio pode ser liquido, gasoso ou outro estado fisico ou quimico da matéria.
[033] O mecanismo de transdução é baseado na alteração do potencial externo sobre o eletrodo. A alteração desse potencial elétrico imposto sobre o canal quântico promove uma reposta quantizada entre as componentes emaranhadas Cq e G, que promovem mudança em k, que por sua vez, pode então ser monitorado como sinal transdutor de reconhecimento do analito- receptor .
[034] Como k é uma constante quântica temporal, tipica da estrutura eletrônica, ela pode ser acessada por meio de técnicas transientes no tempo ou A.C., isto é, de perturbação de potencial alternado como o caso da espectroscopia de impedância/capacitância eletroquimica. Por meio dessas medições, as propriedades quânticas temporais (G, Cq e k, como mostrados nas Figuras 4 e 5) podem ser obtidas e então utilizadas para monitorar a presença ou quantificar determinado analito numa amostra. A capacitância eletroquimica pode ser obtida pelo diâmetro do semicírculo num digrama de Nyquist capacitivo, como mostrado na Figura 3a .
[035] A condutância pode ser obtida por duas metodologias diferentes, isto é, quando o sistema está no equilibrio io ou não (dinâmico) . Esses parâmetros podem ser calculados experimentalmente onde a condutância do sistema em equilibrio io pode ser calculada seguindo a equação G equilibrio = ωC" equilibrio , onde ω (= 2nf) e f é a frequência angular do valor de Cq e C" equilibrio éri oo valor da capacitância imaginária de Cq, como mostrado no diagrama de Nyquist capacitivo (Figura 3a) . Usando a relação k equilibrio G equilibrio /Cq , calcula— se k equilibrio para cada concentração de analito (Figura 4c) . Para o caso fora do equilibrio io, a condutância do sistema dinâmico é calculado a partir da frequência de ressonância (estado dinâmico) no valor máximo de C" no diagrama de Nyquist ou de
Bode (Figura 3a e 3b, respectivamente) , ou seja, Cq/2 =
G dinâmico- De forma que Gdinâmico ~ tàG dinâmico ~ ^ ' fressonâncio.G dinâmico •
Usando a relação kdinàmico = Gdinàmico/Cq, calcula-se kdinêmiico para cada fressonância de cada concentração de analito (Figura 5c) .
[036] As propriedades quânticas do eletrodo se alteram conforme ocorre ligação receptor-ligante como pode ser observado na Figura 4 e 5. Nestas figuras, observa-se a resposta linear de kequMbrío e kdinàmico que está relacionado com a propriedade de emaranhamento quântico entre Gequiiibrio e Cq (Figura 4c) e Gdinamico e Cq (Figura 5c) . Por isso, k de estruturas 1D e 2D pode ser usado como sinal transdutor para quantif icar/detectar o analito presente na amostra. Esses valores, por sua vez, não são possíveis de serem acessados por técnicas de corrente continua D.C., como é o caso da voltametria ciclica, em que o voltamograma não apresenta corrente faradaica ou mudanças sensíveis em seu formato (Figura la) .
DESCRIÇÃO DETALHADA
[037] O transdutor modificado, mecanismo de tradução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico transdutor modificado, objeto da presente invenção, compreende:
[038] O transdutor modificado o qual trata-se de ser um eletrodo transdutor modificado compreendendo materiais unidimensionais (1D) ou bidimensionais (2D) que possuem estados quantizados temporais de energia acoplados aos estados quantizados temporais de outras moléculas como transdutores elétricos/eletroquimicos depositados sobre um substrato base isolante ou um semicondutor, para o desenvolvimento de sensores e biossensores ; ditos materiais unidimensionais (ID) ou bidimensionais (2D) apresentando estados quantizados temporais de energia definidos por processos de transf erência/transmissão eletrônica (fc) que possuem uma frequência característica definida pela condutância (G) e capacitância (Cq) quânticas, sendo k = GjCq definido com unidade de frequência (em Hertz ou equivalente) . Onde os processos de transf erência/transmissão eletrônica (fc) são expressos como um tempo característicos T = RqCq, com unidade tempo (em segundos ou equivalente) , em que Rq = /G. Onde o material depositado sobre o substrato isolante ou semicondutor pode conter mono ou multicamadas de estruturas 1D e 2D até o limite de 10 nm.
[039] No transdutor modificado os materiais unidimensionais (1D) podem ser, nanotubos de carbono de parede simples e múltiplas, nanorods e nanofios. dentre outros; os materiais bidimensionais (2D) podem ser grafeno e seus derivados como óxido de grafeno, óxido de grafeno reduzido, nanofitas de grafeno, grafeno tipo crumpled, nitreto de boro hexagonal, metais de transição dicalcogenetos, fosforeno, camadas de hidróxidos duplos, familia de compostos monoelementais , nitretos/carbonetos de metal; óxidos do tipo perovskita, polímeros 2D, dentre outros; e os óxidos de metais de transição (Ti, Cu, Zn, e outros) em configuração 1D ou 2D que compreendem uma das dimensões limite do material, seção transversal das estruturas 1D ou espessura das estruturas 2D, acoplados ao substrato no intervalo entre 0,2 a 10 nm. [040] 0 eletrodo transdutor modificado é modificado como receptor ancorado para moléculas que se acoplam com os estados quantizados temporais de energia dos materiais unidimensionais (1D) e bidimensionais (2D) , ligadas tanto covalentemente quanto não-covalentemente, para fins específicos de emaranhamento dos seus estados temporais quânticos das estruturas com aqueles presentes em moléculas como: - estruturas aromáticas condensadas ou não (naftaleno, antraceno, fenantreno, pireno e polímeros condutores) ; espécies eletroativas moleculares com niveis doadores e aceptores de elétrons; - espécies eletroativas contendo elementos metálicos (Fe, Ru, Ti, V, Mn, Cr, Co, Ni, Nb ou Mo) ; - moléculas peptidicas e/ou oligonucleotidicas que contenham (a) e/ou (b) e/ou (c) ; onde, ditas estruturas podem conter grupos funcionais (carboxila, amina, sulfidrila, etc.) adequados ancorando covalentemente ou não- covalentemente os receptores de interesse para o reconhecimento do analito ou j á conterem o receptor biológico em suas estruturas. Dito material unidimensional (1D) ou bidimensional (2D) possuir contato ôhmico de baixa resistência elétrica e comportamento linear de corrente versus voltagem para fins de obtenção de e/ou acesso as suas propriedades temporais quantizadas por métodos transientes ou de corrente alternada (A.C.) . [041] No transdutor modificado o receptor ancorado covalentemente ou não-covalentemente na molécula pode ser aptâmeros, anticorpos, antigenos, fragmentos de anticorpos, estruturas genômicas, oligossacarideos , peptideos, células, bactérias, partículas virais, enzimas e proteínas para aplicação como biossensores ; e o analito reconhecido pelo receptor ancorado na molécula pode ser aptâmeros, anticorpos, antigenos, estruturas genômicas, fragmentos de anticorpos, oligossacarideos, peptideos, células, bactérias, partículas virais, enzimas e proteínas para aplicação como biossensores. Onde o eletrodo transdutor modificado reconhece qualitativamente ou quantitativamente o analito.
[042] No transdutor modificado o material unidimensional (1D) ou bidimensional (2D) poder ser utilizado como sensor para gases ou outras moléculas de interesse biológico, principalmente, mas não somente, atuando como transdutor onde será depositado o material de reconhecimento/af inidade, ou também atuando como o próprio material de reconhecimento/af inidade, desde que suas propriedades elétricas sejam afetadas pelo analito de forma que haja uma transdução de sinal quimico (ou bioquímico) em elétrico.
[043] No transdutor modificado, o mecanismo de transdução está baseado na variação dos estados quantizados temporais de energia acoplado ao eletrodo transdutor modificado podendo ser avaliado tanto por meio de k como pela condutância (G) e capacitância . Onde as propriedades de condutância (G) e capacitância
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são obtidas pelas técnicas do método de detecção a partir de medidas de funções de transferência elétrica, sendo possível extrair os valores de capacitância complexa (C*) , impedância complexa (Z*) , condutância complexa (G*) , ou qualquer função de imitância ( Im* ) e suas relações obtidas; as funções de imitância são funções complexas (e.g., admitância, Y* , módulo, M* e capacitância, C*) que podem ser obtidas a partir dos resultados de impedância complexa (Z*) , calculadas por meio de relações matemáticas; onde essas funções complexas contêm componentes imaginários e reais que podem ser aplicados como sinais de transdução para qualquer interface sensora, incluindo as biossensoras .
[044] O método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse trata-se de um método de detecção por medidas dependentes do tempo e transiente para o sensoriamento do analito compreendendo: (a) contato do meio, que pode conter ou não o analito de interesse, com o eletrodo definido em qualquer uma das reivindicações de (1) a (18) ; (b) obter uma ou mais medidas elétricas ou eletroquimicas do eletrodo; e (c) determinar por medidas elétricas e/ou eletroquimicas se o analito está presente no meio; onde as medidas elétricas e eletroquimicas podem conter, no minimo, com um único eletrodo transdutor modificado. O qual inclui preferencialmente técnicas de medidas dependentes do tempo e transientes, como a voltametria de onda quadrada (SWV) , voltametria de pulso diferencial (DPV) , a espectroscopia de impedância (elétrica e eletroquimica, EIE) , e pode incluir técnicas de medidas elétrica e eletroquimica, como espectroscopia de capacitância e derivações, e outras funções de imitância. De tai forma que quando determinar por medidas elétricas e/ou eletroquimicas se o analito está presente no meio, verificar a presença e/ou a concentração do analito tanto qualitativa e/ou quantitativamente, onde o uso do eletrodo é realizado por medidas dependentes do tempo e transientes como medidas de espectroscopia de impedância eletroquimica, mas não exclusivamente, para a diferenciação de mudanças na superfície deste eletrodo com a finalidade de identificação do analito por meio da transdução do sinal. EXEMPLO DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
[045] A presente patente de invenção se refere A UM novo material transdutor modificado seu mecanismo de tradução e método de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico com dito transdutor modificado, utilizado para o desenvolvimento de sensores ou biossensores aplicados à métodos de detecção e/ou quantificação de espécies de interesse analítico, mais precisamente trata-se de transdutor quântico modificado como eletrodo para desenvolvimento de sensor ou biossensor.
[046] Como exemplo da presente invenção, é apresentado o material baseado em estruturas bidimensionais (2D) que possuem estados quantizados de energia (grafeno) acoplados aos estados quantizados de outras moléculas (e.g. ferrocene ácido carboxilico, FcA) como transdutores elétricos/eletroquimicos para o desenvolvimento de (bio ) sensores . Neste caso, 70 mM de FcA é adsorvido em um eletrodo de grafeno, podendo ser ou não multicamada, durante 16 horas a temperatura ambiente (24 °C) . A adsorção das moléculas de ferrocene sobre a superfície de grafeno é consequência das interações n-n entre ambas as estruturas. A superfície de grafeno antes e depois da adsorção das moléculas de ferrocene é caracterizada por medidas eletroquimicas dependentes do tempo ( espectroscopia de impedância eletroquimica, EIE) usando uma célula eletroquimica de três eletrodos, sendo o eletrodo de grafeno o eletrodo de trabalho, o eletrodo de AglAgCl em 3 M KC1 o eletrodo de referência, e o eletrodo de platina o contra eletrodo .
[047] As medidas foram realizadas em um potenciostato portátil com um analisador de resposta em frequência. O eletrólito de suporte utilizado foi 20 mM de perclorato de tetrabutilamônio (TBACIO4) em solução de acetonitrila/água (1/4, v/v) .
[048] Observa-se na Figura la, que são medidas do tipo D.C., que não foram observadas a presença dos picos característicos da espécie redox (nem mesmo na faixa de potencial característica nesse eletrólito de suporte, Figura la inset) . No entanto, em medidas A.C. realizadas no mesmo eletrodo, observou-se uma mudança significativa no valor de G e Cq a baixas e altas frequências (Figura 1b e 1c) . Dessa forma, as etapas posteriores foram avaliadas apenas por medidas A.C., como é esperado, visto que este dispositivo se comporta como um transistor A.C. ou transiente.
[049] Depois, a superfície graf eno-ferroceno é modificada para a obtenção do transdutor especifico para a detecção da proteina C-reativa (CRP) . Primeiro, o receptor especifico (anticorpo anti-CRP) é imobilizado covalentemente às moléculas de ferroceno acopladas no grafeno através da reação carbodiimida .
[050] A solução de receptor é preparada em tampão fosfato (PB) pH 7,4 em uma concentração 1:1000 e foi incubada por lh a temperatura ambiente imediatamente depois dos 30 min de imersão na solução 0,4 M l-etil-3- ( 3-dimetilaminopropil ) carbodiimida (EDC) e 0,1 M N-hidroxissuccinimida (NHS) (1/1, v/v) .
[051] Para garantir que não ocorra interações inespecif icas, o biossensor é bloqueado durante 30 min a temperatura ambiente com a solução de bloqueio ( SuperblockTM, ThermoFísher) . Após cada modificação, as variações de G e Cq, são acessadas por medidas de EIE (e demais funções de imitância, como a capacitância) para obter os valores de ^equilíbrio e kdinàmico, conforme apresentado na Figura 4 e Figura 5, respectivamente. [052] Em seguida, são feitas as medidas dos brancos para quantificar a variação em relação a solução de medida (PB pH 7,4) , solução em que são preparadas as concentrações de CRP . Para isso, a superfície de grafeno modificada é imersa 30 min em PB pH 7,4 a temperatura ambiente e, depois, caracterizada por EIE. Essa etapa é repetida duas vezes. [053] Após as medidas dos brancos, são feitas as incubações e medidas das amostras do analito CRP. As concentrações de CRP usadas foram 1; 2; 5; 7,5; 10; 12,5; 15, 20 e 40 ag/mL, todas preparadas em PB pH 7,4. As amostras são incubadas 30 min a temperatura ambiente. A interação entre o anticorpo anti-CRP e o analito CRP foi caracterizada eletroquimicamente . Esse processo de incubação e caracterização é repetido para cada amostra de CRP, começando pela menor concentração até a maior concentração (Figura 3) . O biossensor é construído utilizando tanto o parâmetro ^equilíbrio como o kdinàmico como sinal transdutor, conforme Figuras 4c e 5c, respectivamente, sendo que para os dois parâmetros kequMbrio e kdinàmico o intervalo de resposta linear foi de 1-10 ag/mL. Com ambos os sinais analíticos foi possível a detecção de analito na concentração de 1 ag/mL (mesmo que 8,3 zmol/L, considerando a massa molecular da CRP de 120 kDa) .
[054] É certo que quando o presente invento for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes , sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório , ficando assim entendido que a terminologia empregada não teve a finalidade de limitação .
[ 055 ] Assim, pelas características de configuração e funcionamento , acima descritas , pode-se notar claramente que o TRANSDUTOR MODI FICADO, MECANISMO DE TRANSDUÇÃO E MÉTODO DE DETECÇÃO E/OU QUANTI FICAÇÃO DE ESPÉCIES DE INTERESSE ANALÍTICO COM TRANSDUTOR MODI FICADO, tratam-se de um método e dispositivo novos para o Estado da Técnica o qual reveste- se de condições de inovação, atividade inventiva e industriali zação inéditas , que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção .

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 - TRANSDUTOR MODIFICADO, caracterizado por ser um eletrodo transdutor modificado compreendendo materiais unidimensionais ( ID) ou bidimensionais ( 2D) que possuem estados quanti zados temporais de energia acoplados aos estados quanti zados temporais de outras moléculas como transdutores elétricos/eletroquimicos depositados sobre um substrato base isolante ou um semicondutor, para o desenvolvimento de sensores e biossensores ; ditos materiais unidimensionais ( 1D) ou bidimensionais ( 2D) apresentando estados quanti zados temporais de energia definidos por processos de trans f erência/transmissão eletrônica ( fc ) que possuem uma frequência característica definida pela condutância ( G ) e capacitância ( Cq ) quânticas , sendo k = GjCCL definido com unidade de frequência ( em Hertz ou equivalente ) .
2 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os processos de trans f erência/transmissão eletrônica (fc ) serem expressos como um tempo característicos com unidade tempo ( em segundos ou equivalente ) , onde
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3 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os materiais unidimensionais ( 1D) serem, nanotubos de carbono de parede simples e múltiplas , nanorods e nanofios , dentre outros .
4 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os materiais bidimensionais (2D) serem, grafeno e seus derivados como óxido de grafeno, óxido de grafeno reduzido, nanofitas de grafeno, grafeno tipo crumpled, nitreto de boro hexagonal, metais de transição dicalcogenetos , fosforeno, camadas de hidróxidos duplos, familia de compostos monoelementais , nitretos/carbonetos de metal; óxidos do tipo perovskita, polímeros 2D, dentre outros .
5 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os óxidos de metais de transição (Ti, Cu, Zn e outros) em configuração 1D ou 2D compreenderem uma das dimensões limite do material, seção transversal das estruturas 1D ou espessura das estruturas 2D, acoplados ao substrato no intervalo entre 0,2 e 10 nm.
6 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eletrodo transdutor modificado ser modificado com moléculas que se acoplam com os estados quantizados temporais de energia dos materiais unidimensionais (ID) e bidimensionais (2D) , ligadas tanto covalentemente quanto não-covalentemente, para fins específicos de emaranhamento dos seus estados temporais quânticos das estruturas com aqueles presentes em moléculas como: - estruturas aromáticas condensadas ou não (naftaleno, antraceno, fenantreno, pireno e polímeros condutores) ; espécies eletroativas moleculares com niveis doadores e aceptores de elétrons; - espécies eletroativas contendo elementos metálicos (Fe, Ru, Ti, V, Mn, Cr, Co, Ni, Nb ou Mo) ; - moléculas peptidicas e/ou oligonucleotidicas que contenham (a) e/ou (b) e/ou (c) ; onde, ditas estruturas podem conter grupos funcionais (carboxila, amina, sulfidrila, etc) adequados ancorando covalentemente ou não-covalentemente os receptores de interesse para o reconhecimento do analito ou já conterem o receptor biológico em suas estruturas.
7 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o material depositado sobre o substrato isolante ou semicondutor poder conter mono ou multicamadas de estruturas 1D e 2D até o limite de 10 nm.
8 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o material unidimensional (ID) ou bidimensional (2D) possuir contato ôhmico de baixa resistência elétrica e comportamento linear de corrente versus voltagem para fins de obtenção de e/ou acesso as suas propriedades temporais quantizadas por métodos transientes ou de corrente alternada (A.C.) .
9 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o receptor ancorado covalentemente ou não- covalentemente na molécula poder ser aptâmeros, anticorpos, antigenos, fragmentos de anticorpos, estruturas genômicas, oligossacarideos , peptideos, células, bactérias, partículas virais, enzimas e proteínas para aplicação como biossensores .
10 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o analito reconhecido pelo receptor ancorado na molécula poder ser aptâmeros, anticorpos, antigenos, estruturas genômicas, fragmentos de anticorpos, oligossacarideos , peptideos, células, bactérias, partículas virais, enzimas e proteínas para aplicação como biossensores .
11 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o eletrodo transdutor modificado poder reconhecer qualitativamente ou quantitativamente o analito.
12 - TRANSDUTOR MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o material unidimensional (ID) ou bidimensional (2D) poder ser utilizado como sensor para gases ou outras moléculas de interesse biológico, principalmente, mas não somente, atuando como transdutor onde será depositado o material de reconhecimento/af inidade, ou também atuando como o próprio material de reconhecimento/af inidade, desde que suas propriedades elétricas sejam afetadas pelo analito de forma que haja uma transdução de sinal quimico (ou bioquímico) em elétrico.
13 - MECANISMO DE TRANSDUÇÃO, caracterizado por ser baseado na variação dos estados quantizados temporais de energia acoplado ao eletrodo transdutor modificado podendo ser avaliado tanto por meio da constante de transferência elétrica/eletrônica (fc) como pela condutância (G) e capacitância (Cq) .
14 - MECANISMO DE TRANSDUÇÃO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por as propriedades de condutância (G) e capacitância
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serem obtidas pelas técnicas do método de detecção a partir de medidas de funções de transferência elétrica, sendo possível extrair os valores de capacitância complexa (C*) , impedância complexa (Z*) , condutância complexa (G*) , ou qualquer função de imitância ( Im* ) e suas relações obtidas; as funções de imitância são funções complexas (e.g., admitância, Y* , módulo, M* e capacitância, C*) que podem ser obtidas a partir dos resultados de impedância complexa (Z*) , calculadas por meio de relações matemáticas; onde essas funções complexas contêm componentes imaginários e reais que podem ser aplicados como sinais de transdução para qualquer interface sensora, incluindo as biossensoras .
15 - MÉTODO DE DETECÇÃO E/OU QUANTIFICAÇÃO DE ESPÉCIES DE INTERESSE ANALÍTICO, caracterizado por ser um método de detecção por medidas dependentes do tempo e transiente para o sensoriamento do analito compreendendo:
(a) contato do meio, que pode conter ou não o analito de interesse, com o eletrodo definido em qualquer uma das reivindicações de (1) a (14) ;
(b) obter uma ou mais medidas elétricas ou eletroquimicas do eletrodo; e
(c) determinar por medidas elétricas e/ou eletroquimicas se o analito está presente no meio; onde as medidas elétricas e eletroquimicas poder conter, no minimo, com um único eletrodo transdutor modificado.
16 - MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o método incluir preferencialmente técnicas de medidas dependentes do tempo e transientes, como a voltametria de onda quadrada (SWV) , voltametria de pulso diferencial (DPV) , a espectroscopia de impedância (elétrica e eletroquimica, EIE) .
17 - MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o método poder incluir técnicas de medidas elétrica e eletroquimica, como espectroscopia de capacitância e derivações, e outras funções de imitância.
18 - MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o método, quando determinar por medidas elétricas e/ou eletroquimicas se o analito está presente no meio, verificar a presença e/ou a concentração do analito tanto qualitativa e/ou quantitativamente.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112017014761A2 (pt) * 2015-01-26 2018-01-16 Univ Oxford Innovation Ltd ?detecção de capacitação quântica?

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ADRIANO SANTOS, PICCOLI JULIA P., SANTOS-FILHO NORIVAL A., CILLI EDUARDO M., BUENO PAULO R.: "Redox-tagged peptide for capacitive diagnostic assays", BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS, ELSEVIER SCIENCE LTD, UK, AMSTERDAM , NL, vol. 68, 1 June 2015 (2015-06-01), Amsterdam , NL , pages 281 - 287, XP055575970, ISSN: 0956-5663, DOI: 10.1016/j.bios.2014.12.059 *
JOSHUA LEHR, FLÁVIO C. BEDATTY FERNANDES, PAULO R. BUENO, JASON J. DAVIS: "Label-free Capacitive Diagnostics: Exploiting Local Redox Probe State Occupancy", ANALYTICAL CHEMISTRY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, US, vol. 86, no. 5, 4 March 2014 (2014-03-04), US , pages 2559 - 2564, XP055266151, ISSN: 0003-2700, DOI: 10.1021/ac403727h *
KHAN REEM, RADOI ANTONIO, RASHID SIDRA, HAYAT AKHTAR, VASILESCU ALINA, ANDREESCU SILVANA: "Two-Dimensional Nanostructures for Electrochemical Biosensor", SENSORS, vol. 21, no. 10, pages 3369, XP093082681, DOI: 10.3390/s21103369 *
LOPES LAíS C.; BUENO PAULO R.: "Sensing the quantized reactivity of graphene", ANALYTICA CHIMICA ACTA, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 1177, 7 June 2021 (2021-06-07), AMSTERDAM, NL , XP086761317, ISSN: 0003-2670, DOI: 10.1016/j.aca.2021.338735 *
PINZÓN EDGAR F., SANTOS ADRIANO DOS, BUENO PAULO R.: "Density of States of a Nanoscale Semiconductor Interface as a Transduction Signal for Sensing Molecules", ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 3, no. 8, 24 August 2021 (2021-08-24), pages 3411 - 3417, XP093082682, ISSN: 2637-6113, DOI: 10.1021/acsaelm.1c00387 *

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