Biossensores Piezoelétricos

Question 1

O princípio relacionado com a medição de pequenas alterações na massa recai na utilização de quê?

Answer 1

cristais piezo-elétricos

Question 2

o que são cristais anisotrópico?

Answer 2

não têm centro de simetria, tais como quartzo e turmalina

Question 3

o que fornecem os cristais anisotropicos?

Answer 3

forneciam um sinal elétrico quando sujeitos a uma pressão mecânica

Question 4

se aplicarmos um sinal elétrico aos cristais anisotropicos, o que lhes acontece?

Answer 4

deformam-se mecanicamente (encolhem ou esticam)

Question 5

Cada cristal tem a sua frequência natural de oscilação que depende de quê?

Answer 5

• Da massa do cristal (e muitas vezes da espessura)
• Do material utilizado na cobertura do cristal (algo que só importa para os biossensores devido ao elemento biológico)
• Das propriedades elásticas da estrutura de ressonância (para perceber que tipo de deformações pode ter)

Logo, essa frequência pode ser variada

Question 6

Qual o princípio dos piezelétricos?

Answer 6

Cristal vibra a uma frequência de ressonância paralela ao campo aplicado.

Alteração na massa do quartzo (devido à absorção) altera a frequência ressonância

Question 7

Quais os principais tipos de sensores piezoeletricos?

Answer 7

> A microbalança de cristais piezo-eléctricos (QCM – Quartz Crystal Microbalance) -

> Biossensores de ondas acústicas (Acoustic Wave Mode)
- Surface Acoustic Wave sensor (SAW)
- Plate Acoustic Wave sensor (PAW)
- Lamb Acoustic Wave sensor (LAW)
- Thickness shear mode (Líquidos)

Question 8

O que é um Mass Sensitive Sensor?

Answer 8

Quando coberto com uma membrana específica, um piezo-elétrico ressonante pode ser utilizado para detetar alterações quer na massa, quer nas propriedades elásticas da cobertura.

Um sensor piezo-elétrico pode então ser utilizado como microbalança, monitorizando alterações na sua massa através da frequência de ressonância

Question 9

As alterações quer na massa, quer nas propriedades elásticas da cobertura, podem ser provocadas pelo quê?

Answer 9

Provocadas:

• pelas moléculas que se ligam à membrana (ex. anticorpos)
• ou pelas reações químicas na membrana ou na sua superfície.

Por exemplo, quando a bactéria se ligar aos anticorpos imobilizadas na membrana, a massa do cristal aumentará enquanto que a frequência de ressonância de oscilação diminuirá proporcionalmente

Question 10

Que limites de deteção temos nos mass sensitive sensor?

Answer 10

A alteração na frequência de ressonância (∆f) resultante da adsorção de um analito na superfície do cristal piezo-elétrico pode ser medida com elevada sensibilidade (ex: 500 – 2500 Hz/g), logo, quando aplicada a sensores, resulta em dispositivos com limites de deteção de pg.

Picogramas -> MegaHertz

∆f por x grama, sendo x o intervalo de gramas em que é possível detetar desvios de frequências

Question 11

Vantagem dos Mass sensitive sensor

Answer 11

elevada sensibilidade ng ou pg / cm2.

Question 12

Desvantagem dos Mass sensitive sensor

Answer 12

Altamente sensível a adsorções não-específicas (a pós por exemplo. Depende muito de como fazemos a imobilização, que tipo de membrana usamos. Podemos fazer uma lavagem por exemplo. Não é obrigatório ter referencia, mas pode ajudar)

Question 13

A relação entre as alterações de massa da superfície do cristal, ∆m (g), e a alteração na frequência de ressonância, ∆f (Hz), é dada por que equação?

Answer 13

pela equação de Sauerbrey

S = ∆f/∆m = k(fo2/A)

kl = -2.3 x 10-7 m2 Kg-1 s, coeficiente específico para o modo acústico
A (m2) é a área efetiva da região de sensorização do cristal
S (Hz/g)

Question 14

O material piezo-elétrico tem de ter contactos para podermos medir a tensão/sinal quando lhe e aplicada uma pressão mecânica. Normalmente, o contacto é de que material?

Answer 14

Costuma ser de ouro porque ele tem facilidade para adicionar membranas e elementos biológicos

Question 15

Qual o efeito do peso da massa?

Answer 15

Há medida que está aumenta, a frequência diminui

Question 16

Que materiais mostram o efeito piezo-elétrico e que por sua vez podem ser utilizados nestes biossensores incluem?

Answer 16

• materiais naturais (quartzo e turmalina)
• materiais cerâmicos como: bário e titanato/zirconato de chumbo.

Nota: Alguns polímeros orgânicos, como o Poly(vinylidene fluoride) PVDF (-CF2-CH2-CF2-)n também formam cristais com propriedades piezo-elétricas.

Question 17

Muitos sensores de gases utilizam como elemento de sensorização o efeito piezo-eléctrico. V ou F?

Answer 17

V

Question 18

Exemplos de coisas que podem ser medidas com os Mass Sensitive Sensor?

Answer 18

Nos biossensores alguns exemplos são:
* aldeído fórmico (FDH)
* pesticidas
* ensaios imunológicos (ex: anticorpo imobilizado num cristal piezo-elétrico de quartzo, “cândida”)
* coberturas sensíveis (depositar no cristal uma cobertura, ex: popypyrrole)

Question 19

“Por vezes é mais útil utilizar um sistema em modo diferencial, com 2 cristais balanceados”. O que significa isso?

Answer 19

Significa termos um de referencia e outro com o elemento biológico, de modo a colmatar impurezas que possam existir (pó, efeitos de líquidos, etc), que causem alteração na frequência de ressonância

REFERENCIA - Cristal sem anticorpo (interferências e oscilações de temperatura)

Question 20

Como é obtida a seletividade nos sensores piezo-elétricos sensíveis à massa?

Answer 20

(????) Através de um material seletivo, o qual interage seletivamente com o analito, i.e., anticorpos ou antigénio, necessitam de ser adsorvidos na superfície do cristal.

Question 21

Desvantagens dos biossensores piezo-eléctricos (QCM).

Answer 21

• Tempo de incubação da bactéria relativamente longo (ex: uma bactéria de se microencapsular na membrana)
• Inúmeros passos de lavagem e secagem (existem buffers que retiram o que não é analito ou que não está agarrado)
• Problema de regeneração da superfície do cristal

Este último problema pode não ser importante se forem fabricados pequenos cristais a baixo custo de tal modo que seja economicamente viável termos o dispositivo descartável. (Ex do PVDF)
Possíveis limitações desta tecnologia incluem também falta de especificidade, sensibilidade e interferências do meio líquido onde é feita a análise.

Question 22

No geral, como são os biossensores baseados em ondas acústicas?

Answer 22

Quando aplicamos tensão aos seus terminais, vai vibrar, produzindo uma onda acústica. Esta vai andar, embater em algo e nós podemos medir isso. Embate em moléculas. A onda que vai receber vai ser diferente da onda que transmite e é por ai que analisamos.

Question 23

O que é o Acoustic streaming/Quartz Wind?

Answer 23

Um decaimento exponencial da intensidade do som no fluido gera uma força F no fluido no interior do reservatório ou canal, resultando num movimento fluido significativo

Question 24

Como funcionam os Surface Acoustic Wave Sensor (SAW)?

Answer 24

Estes sensores funcionam através da propagação de ondas acustico-elétricas, quer ao longo da superfície ou através de uma combinação da espessura e da superfície, do cristal.

Um sinal elétrico AC é aplicado no elétrodo transdutor, gerando este uma onda acústica (tipo Raleigh).

A onda penetra no cristal a uma profundidade de um lamda. Uma espécie imobilizada na superfície afetará a Transmitância da onda (exceto se o cristal for extremamente fino).

A onda recebida pelo elétrodo recetor situado a alguns mm no lado oposto do substrato é convertida num sinal elétrico.

Question 25

Como é constituido o SAW?

Answer 25

Este dispositivo basicamente consiste em 2 elétrodos de metal inter-digitados simetricamente (ex: ouro ou titânio) evaporados para a superfície de um cristal piezo-elétrico de substrato fino e planar (ex: quartzo ou óxido de zinco) num substrato de silício

Basicamente a estrutura compreende 2 osciladores SAW idênticos posicionados lado a lado.
Uma cobertura biologicamente sensível, ex: um anticorpo, é imobilizado na superfície e no local onde será o caminho da propagação de um dos osciladores, o “sensor device”.
Qd uma amostra de teste contendo o antigénio complementar é colocada sobre ele, o antigénio especifico arraga-se ao material imobilizado.
Isto resulta num aumento na massa do cristal afectando o tempo de resposta do cirtuito, ou seja o tempo de atraso.
Já estamos a ver que este circuito contém um amplificador e um condensador que fazem o atraso do sinal.
O desvio relativo na frequência entre os 2 osviladores é medido, utilizando o circuito mixer para obter a soma e a diferença das frequências, e um circuito de filtragem é utilizado para seleccionar frequências baixas: low-pass.
A alteração na frequência (f) entre os 2 canais é então directamente atribuível à interacção anticorpo-antigénio e efeitos externos tais como os causados pelas alterações de temperaturas são minimizados ou mesmo eliminados.

Question 26

O sinal elétrico pode ser modelizado (programado) para determinadas aplicações variando…(4)

Answer 26

• Espaço entre as linhas dos transdutores inter-digitados
• Espaço entre os transdutores (quanto maior a distância entre o emissor e o recetor, maior a atenuação)
• O corte do cristal
• Espessura do substrato (quanto mais fino, maior a frequência de ressonância, maior a sensibilidade, mais difícil a eletrónica)

Question 27

As possíveis modelizações feitas ao sinal elétrico controlam o quê?

Answer 27

• Frequência
• Atraso na propagação
• Forma da onda acústica
  do sinal que é transmitido através do dispositivo

Question 28

O SAW pode ser usado para mover fluidos?

Answer 28

Sim, quando um sinal AC de determinada frequência é aplicado ao elétrodo interdigitado, uma onda acústica na superfície é excitada no substrato do piezo- eléctrico. As ondas induzem fluxo do líquido

Question 29

A microagitação acústica pode ser usada para agitar fluidos. Que outras aplicações existem?

Answer 29

• Deteção de mutações num DNA microarray (Com microagitação o contraste na intensidade aumenta)

Question 30

Quais as vantagens da microagitação?

Answer 30

o agitador acústico é silencioso, não vibra e não corre o risco de contaminação entre as câmaras – pode ser facilmente integrado num robot