Enzymatic Biosensors for the Detection and Quantification of Carbamates in Food Samples

OLIVEIRA, Thiago Mielle Brito Ferreira. Biossensores Enzimáticos para Detecção e Quantificação de Carbamatos em Amostras de Alimentos. 2013. 132 f. Tese (Doutorado em química)- Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2013.This work contemplates three strategies for carbamate pesticides (CBM) biosensing in natural food, using polyphenoloxidases based biosensors as analytical device: (i) carbon nanotubes paste electrode (CNPE) modified with laccase from Tramites versicolor (LACC), namely as LACC-CNPE; (ii) graphene paste electrode (GPE) modified with Prussian Blue films (PB), followed by the LACC immobilization by drop coating, namely as LACC/PB/GPE; and (iii) GPE modified by the electrodeposition of a hybrid film composed for chitosan (CS), gold nanoparticles (AuNp) and a mixing of LACC and tyrosinase from Agaricus bisposrus (TYR), namely as LACC-TYR-AuNp-CS/GPE. Based on 4-aminophenol (4-AMP) redox process, the presence of carbon nanotubes and graphene allowed several advantages to the devices, such as: increase of the peak currents values, catalysis of the redox process, improvement of the reversibility and electronic-transfer kinetic. PB films (direct enzymatic immobilization without cross-linking reagent), CS (suitable biocompatibility, higher immobilization and fixation of the enzymes) and AuNp (reduction of the charge-transfer resistance) also showed important role on biosensors electrodic configuration. Analytical curves were constructed by square-wave voltammetry, based on CBM (carbofuran, carbaryl, formetanate, pirimicarb, propoxur and ziram) capability to inhibit the polyphenoloxidase activity. In general, the proposed procedures had sensitivity (detection limits ranging from 0.001 to 0.093 mg kg-1) in compliance with the maximum limit established by Brazilian and European food surveillance and control agencies for the analysis of CBM residues in vegetable crops (tomato, lettuce and potato) and citrus fruits (orange, tangerine and lemon), with negligent interfering effect. Recuperation experiments were carried out with QuEChERS extracts of the samples, allowing recuperation values from 91.0 ± 0.1% to 101.1 ± 0.1%; for spiking levels from 0.01 to 3.14 mg kg-1. Thus, LACC-CNPE, LACC/PB/GPE and LACC-TYR-AuNp-CS/GPE are promisor tools for CBM analysis in food matrices.Este trabalho contempla três estratégias para o biossensoriamento de pesticidas da classe dos carbamatos (CBM) em alimentos naturais, utilizando biossensores à base de polifenoloxidases como dispositivos analíticos: (i) eletrodo de pasta de nanotubos de carbono (EPNC) modificado com lacase de Tramites versicolor (LAC) por entrapment da enzima diretamente no material compósito, definido como LAC-EPNC; (ii) eletrodo de pasta de grafeno (EPG) modificado com filmes de Azul da Prússia (AP), seguido da imobilização de LAC por drop coating, definido como LAC/AP/EPG; e (iii) EPG modificado por eletrodeposição de filme híbrido composto por quitosana (CS), nanopartículas de ouro (NpAu) e mistura das enzimas LAC e tirosinase de Agaricus bisporus (TIR), definido como LAC-TIR-NpAu-CS/EPG. Tomado por base o processo redox do substrato 4-aminofenol (4-AMF), a presença dos nanotubos de carbono e do grafeno proporcionou uma série de vantagens aos dispositivos, a saber: aumento nos valores de corrente de pico, catálise do processo redox, melhoria na reversibilidade e, consequentemente, na cinética de transferência eletrônica. Filmes de AP (imobilização direta da enzima sem a necessidade de regente para cross-linking), CS (biocompatibilidade adequada, maior imobilização e fixação das enzimas) e NpAu (redução da resistência a transferência de carga) também apresentaram importante papel na configuração eletródica dos biossensores. As curvas analíticas foram construídas por voltametria de onda quadrada, baseando-se na capacidade dos CBM (carbofurano, carbaril, formetanato, pirimicarbe, propoxur e ziram) de inibir a atividade das polifenoloxidases. Em geral, os procedimentos propostos apresentaram sensibilidade (limites de detecção variando de 0,001 a 0,093 mg kg-1) que contempla os limites máximos estabelecidos pelas agências de segurança e controle alimentar brasileira e europeia para resíduos de CBM em hortaliças (tomate, alface e batata) e frutas cítricas (laranja, tangerina e limão), com baixo nível de interferentes. Os ensaios de recuperação foram realizados em extratos QuEChERS das amostras, com porcentagens de recuperação variando de 91,0 ± 0,1% a 101,10 ± 0,1%; para contaminações de 0,01 a 3,14 mg kg-1. Portanto, LAC-EPNC, LAC/AP/EPG e LAC-TIR-NpAu-CS/EPG podem ser ferramentas promissoras na análise de CBM em matrizes alimentares