Immobilization of enzymes in (sub) microstructured platforms for application in biosensors

Esta tese descreve a preparação, caracterização e desenvolvimento de biossensores baseados na imobilização de enzimas em filmes nanoestruturados. Os filmes foram obtidos pela técnica de automontagem do inglês Layer-by-Layer (LbL) ou pela técnica de Langmuir-Blodgett (LB). A tese se divide em três partes: a primeira parte teve como objetivo o estudo e a aplicação de filmes finos nanoestruturados, contendo enzima tirosinase (Tyr), em biossensores para detecção de moléculas antioxidantes (polifenóis), visando sua aplicação na indústria de alimentos, em especial a de vinhos tintos. Foi utilizada a técnica LB para a imobilização da enzima Tyr sobre substratos sólidos (ITO ou Pt) sem que a enzima perdesse sua atividade. A enzima foi incorporada a filmes LB mistos de ácido araquídico (AA) e bisftalocianina de lutécio (LuPc2) pela injeção na subfase aquosa. A LuPc2 foi usada como mediadora de transferência de cargas. Foi possível a detecção do composto fenólico representativo pirrogalol. Estudos de voltametría cíclica demonstraram que o biossensor possui uma boa reprodutibilidade com desvio padrão de ca. 2% (n = 4), limite dinâmico de até 400 \'mü\'M (potencial aplicado de 0,4 V; R2: 0,993), sensibilidade de 1,54 \'mü\'A.\'mü\'M POT.-1/\'CM POT.2\' e limite de detecção (critério 3\'sigma\'0/m) de 4,87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). A segunda parte do trabalho descreve o desenvolvimento de sensores eletroquímicos baseados em filmes automontados LbL de hidrocloreto de polialilamina (PAH) e LuPc2. A motivação para o estudo foi a troca do material biológico (Tyr) pela LuPc2, a qual possui poder catalítico e relativa seletividade, capaz de mimetizar algumas proteínas. A LuPc2 foi utilizada como enzima artificial na quantificação de catecol e pirogalol como representantes de compostos fenólicos. Em medidas de voltametria, o sensor automontado de PAH/LuPc2 apresentou boa linearidade (R2 = 0,992) na faixa de até 500 \'mü\'M, com uma sensibilidade de 90 nA/\'mü\'M e limite de detecção de 8 \'mü\'M. Nas medidas cronoamperométricas, os sensores apresentaram uma ampla faixa linear (R2 = 0,994; tempo de resposta de 60 s) de até 900 \'mü\'M e limite de detecção (LD) de 37,5 x \'10 POT.-8\' M (sensibilidade de 20 nA/\'mü\'M) para o catecol. Por fim, estudou-se a fabricação de filmes LbL baseados em dendrímero poli(propileno imina) (PPID) e metaloftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) em sensores baseados em transistores de efeito de campo (FET). Neste caso, os filmes foram utilizados como membranas sensíveis na aplicação de sensores de pH e \'H IND.2\'O IND.2\'. Também se demonstra a importância de se utilizar estruturas dendríticas nesse tipo de filme, comparando estes filmes com aqueles contendo um polieletrólito fraco linear (PAH). Foi dada ênfase à fabricação dos filmes pela técnica LbL e sua aplicação em sensores do tipo FET de porta estendida e separada (SEGFET). Filmes LbL baseados em enzimas artificiais se mostram bastante promissores em aplicações reais por serem relativamente baratos e simples, possibilitando o uso de variados tipos de materiais. A utilização desses filmes em dispositivos baseados em estruturas SEGFET possibilita a miniaturização dos sensores bem como sua produção unindo técnicas convencionais de fabricação microeletrônica.This thesis describes the preparation, characterization and development of biosensors based on nanostructured films containing immobilized enzymes and metallophthalocyanines. The films were obtained using the Layer-by-Layer (LbL) or Langmuir-Blodgett (LB) techniques. In the first part of the thesis we describe the development of nanostructured thin films containing the enzyme tyrosinase (Tyr) and their use as biosensors for detection of antioxidants molecules (polyphenols), which find applications in the food industry, specialy red wines. The enzyme was incorporated into the mixed LB films of arachidic acid (AA) and lutetium bisphthalocyanine (LuPc2) by injection into the aqueous subphase followed by transference to ITO or Pt electrodes. The representative phenolic compound molecule to be detected was pyrogallol. Cyclic voltammetry studies shown that the biosensor response is highly reproducible with a standard deviation of ca. 2% (n = 4), dynamic range up to 400 \'mü\'M (applied potential of 0.4 V; R2: 0.993), sensitivity of 1.54 \'mü\'A/\'mü\'M.\'CM POT.2\' and detection limit (3 \'sigma\'0/m criteria) of 4.87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). The second part of this thesis focus on the development of electrochemical sensors based on LbL films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and LuPc2. The purpose of the study was to change the biological material (Tyr) by LuPc2. LuPc2 was used as an artificial enzyme in the quantification of catechol and pyrogallol as representative of phenolic compounds. In voltammetric measurements, the LbL PAH/LuPc2 sensors presented good linearity (R2 = 0.992) in the range up to 500 \'mü\'M with a sensitivity of 90 nA/\'mü\'M and detection limit of 8 \'mü\'M. As revealed by chronoamperometry measurements, the sensors exhibited a wide linear range (R2 = 0.994; response time of 60 s) up to 900 M and detection limit of 37.5 × \'10 POT.-8\' \'mü\'M (sensibility of 20 nA/\'mü\'M) for catechol. Finally, we investigated the fabrication of LbL films based on poly(propylene imine) dendrimer (PPID) and nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) as active elements in devices based on field effect transistors (FET). The films were used as sensitive membranes applied as pH and \'H IND.2\'O IND.2\' sensors. It was shown the importance on the LbL technique and its application in FET-based sensors such as the separated and extended gate FET (SEGFET). LBL films based on artificial enzymes exhibit great promise in real applications due to their low cost and simplicity. The use of these films in devices based on SEGFET structures allows miniaturization of the sensors and their production combining conventional microelectronics fabrication and nanotechnological tools