Investigação do tempo de resposta de um biossensor amperométrico em por meio de um modelo computacional.

Resumo

Os biossensores, uma classe de sensores desenvolvidos para medir substâncias orgânicas e seus efeitos, oferecem diversos benefícios em termos de uso prático. Entre essas vantagens destes dispositivos presentes na literatura estão: a capacidade de miniaturização e portabilidade, o que facilita a sua instalação em diferentes ambientes (GAO et al., 2018; HARITHA; KUMAR; RAKHI, 2022; UNO, 2019). Esses dispositivos são amplamente aplicados em diversas áreas, podendo-se citar com uma breve análise da literatura os campos da: medicina (HARITHA; KUMAR; RAKHI, 2022; PARTHASARATHY; VIVEKANANDAN, 2019); meio ambiente (KAFFASH; ROSTAMI; ZARE, 2019; MODHA; CASTRO; TSUTSUI, 2021); alimentos (SEMENOVA et al., 2018; YOETZ-KOPELMAN et al., 2017); e agricultura (graças à sua capacidade de fornecer informações precisas e em tempo real sobre a presença e concentração de substâncias específicas em uma amostra) (HARITHA; KUMAR; RAKHI, 2022).O uso de biossensores visa aproveitar suas vantagens e a eficiência da metodologia rápida que eles proporcionam. Nesse contexto, é essencial analisar quais fatores influenciam na sua capacidade de gerar respostas rápidas para a análise de uma determinada amostra, ou seja, quais fatores influenciam o seu tempo de resposta e qual a grandeza de seu impacto. O objetivo deste estudo é avaliar os impactos que os parâmetros do sistema (biossensor) apresentam no tempo de resposta estável do mesmo (um biossensor amperométrico enzimático), utilizando modelos matemáticos. Para isso, o princípio de funcionamento do biossensor é analisado com base em Equações Diferenciais Parciais (EDPs), bem como nas condições iniciais e de contorno que regem o comportamento do dispositivo. A solução para o sistema analisado é obtida por meio da aplicação do Método das Diferenças Finitas (MDF) para sistemas parabólicos, usando uma abordagem implícita modificada e um código computacional específico. Simulações foram realizadas para investigar o impacto de diversos fatores no tempo de resposta do sistema. Os resultados revelam que a taxa enzimática máxima (VMAX), e a difusividade do substrato (DS) apresentam impactos significativos no tempo de resposta do sistema. Esses fatores são fundamentais em projetos de biossensores, pois afetam diretamente a eficiência e a precisão das medições. No estudo, foi observado que esses parâmetros podem modificar tanto a amplitude do sinal de saída quanto o comportamento da curva iA x S0 (onde iA é a corrente elétrica de saída) dependendo do intervalo de medição. Em resumo, esta pesquisa visa analisar o comportamento de um biossensor amperométrico enzimático de monocamada e as modificações no tempo de resposta do sistema com relação a variação de seus parâmetros de operação através da modelagem matemática. Os resultados obtidos são essenciais para melhorar a compreensão do funcionamento desses dispositivos e para orientar o desenvolvimento de novas estratégias e abordagens na área dos biossensores.