Implementação de biossensor portátil utilizando tecnologia wi-fi para detecção de compostos fenólicos em ambiente urbano / Implementation of portable biosensor using wi-fi technology for detection of phenolic compounds in urban environment

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761

Implementação de biossensor portátil utilizando tecnologia wi-fi para detecção

de compostos fenólicos em ambiente urbano

Implementation of portable biosensor using wi-fi technology for detection of

phenolic compounds in urban environment

DOI:10.34117/bjdv6n8-387

Recebimento dos originais: 20/07/2020 Aceitação para publicação: 20/08/2020

Cássio Franklin Boy de Sousa

Graduando em Química pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas

Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda

Santa Cândida, Campinas – SP, Brasil E-mail: [email protected]

Lia Toledo Moreira Mota

Doutora em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda

Renata Kelly Mendes Valente

Doutora em Química pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda

Wyllerson Evaristo Gomes

Doutor em Física pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda

Santa Cândida, Campinas – SP, Brasil E-mail: [email protected] Valéria Cristina dos Santos Silva

Mestre em Sistemas de Infraestrutura Urbana pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas

Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 RESUMO

A atual busca por melhores condições de vida, com o excesso de produção e o contínuo crescimento demográfico, levou a um significativo aumento de problemas ambientais. Isto ocorre devido aos efeitos da industrialização, que geram uma grande exploração dos recursos naturais, além de resíduos tóxicos e degradantes que são erroneamente descartados no meio ambiente, contaminando diversos recursos naturais, em especial, os recursos hídricos. O lançamento de efluentes domésticos e industriais gera a poluição das águas, sendo que os principais contaminantes são agrotóxicos, como herbicidas e inseticidas, contaminantes orgânicos como fenóis, solventes orgânicos, plásticos, entre outros. Nesta perspectiva, o fenol é um dos poluentes orgânicos mais representativos, devido ao seu efeito tóxico. Portanto, sua identificação é muito importante para auxiliar na descontaminação da água. A pesquisa e o desenvolvimento de métodos para a detecção destes poluentes têm se intensificado nos últimos anos. Um desses métodos parte do uso de biossensores, um mecanismo bastante disseminado para experimentos laboratoriais. Entretanto, um desafio que se apresenta consiste na utilização dessa técnica para a detecção de compostos fenólicos no meio urbano, in loco, sem a necessidade de recolher e armazenar amostras para análise em laboratório. Para isso, é necessário tornar essa técnica “portátil” e de baixo custo para que ela possa ser efetivamente utilizada no meio urbano. Nesse sentido, este trabalho visou integrar a metodologia para detecção de compostos fenólicos via biossensores a uma plataforma que permitisse a coleta de dados e seu monitoramento de maneira remota. Assim, este trabalho teve como propósito implementar um biossensor portátil, utilizando tecnologia Wi-Fi, para detectar compostos fenólicos na água em ambiente urbano.

Palavras-chave: Compostos Fenólicos, Redes de Sensores Sem Fio, Biossensores. ABSTRACT

The current search for better living conditions, with overproduction and continued population growth, has led to a significant increase in environmental problems. This occurs due to the effects of industrialization, which generate a large exploitation of natural resources, in addition to toxic and degrading waste that is mistakenly discarded in the environment, contaminating various natural resources, especially water resources. The discharge of domestic and industrial effluents generates water pollution, and the main contaminants are pesticides, such as herbicides and insecticides, organic contaminants such as phenols, organic solvents, plastics, among others. From this perspective, phenol is one of the most representative organic pollutants due to its toxic effect. Therefore, its identification is very important to help in water decontamination. Research and development of methods for the detection of these pollutants have intensified in recent years. One of these methods starts with the use of biosensors, a very widespread mechanism for laboratory experiments. However, a challenge is the use of this technique for the detection of phenolic compounds in the urban environment, on site, without the need to collect and store samples for laboratory analysis. For this, it is necessary to make this technique "portable" and low-cost so that it can be effectively used in the urban environment. In this sense, this work aimed to integrate the methodology for the detection of phenolic compounds via biosensors to a platform that would allow data collection and monitoring remotely. Thus, this work aimed to implement a portable biosensor, using Wi-Fi technology, to detect phenolic compounds in water in urban environments.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 1 INTRODUÇÃO

Dentre os diversos tipos de contaminações de recursos naturais, a poluição dos recursos hídricos é um dos principais focos de preocupação de autoridades, devido ao dano que estes podem causar aos seres humanos e demais seres vivos. A água é essencial para todas as criaturas vivas e principal fonte para diversas atividades socioeconômicas. O lançamento de efluentes tanto domésticos como industriais causa a contaminação, sendo que os principais agentes poluidores são os agrotóxicos, como herbicidas e inseticidas, contaminantes orgânicos como fenóis, metais pesados, entre outros [1]. Logo, é necessário um estudo elaborado, envolvendo possíveis soluções para um monitoramento e gerenciamento de tais recursos. Os fenóis são um dos poluentes orgânicos mais agravantes neste sentido, devido ao fato de que, ao entrarem nas células, são metabolizados e levam à formação de radicais livres e metabólitos eletrofílicos que podem se ligar ao DNA, causar irritação dérmica com possível necrose, perda de peso, anorexia, cefaleia e diversos danos em órgãos internos [2], além de serem produzidos em escala global, aumentando a possibilidade de estarem presentes no descarte inapropriado no ambiente. Estes compostos químicos possuem como estrutura base uma hidroxila ligada a um anel benzênico (Figura 1), os tornando reativos tanto com compostos apolares como polares, dependendo dos radicais derivados. Segundo a legislação do CONAMA, há concentrações máximas permitidas em diferentes classes segundo a tabela disponibilizada pelo mesmo (Tabela 1) [3].

Figura 1 – Molécula de Fenol (hidroxibenzeno).

OH

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 Tabela 1 – Teores máximos de fenóis totais permitidos em água[3].

Tipo de água Descrição Fenóis totais

Doce – Classe 1 Abastecimento para o consumo humano, após tratamento simplificado; proteção de comunidades aquáticas; recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho; irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e frutas que se desenvolvam rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de película.

0,003 mg L-1

Doce – Classe 3 Abastecimento para o consumo humano, após tratamento convencional ou avançado; irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras; pesca amadora; recreação de contato secundário; dessedentação de animais.

0,01 mg L-1

Salina – Classe 1 Recreação de contato primário; proteção de comunidades aquáticas; aquicultura e pesca.

0,06 mg L-1

Salobra – Classe 1

Recreação de contato primário; proteção de comunidades aquáticas; aquicultura e pesca; abastecimento para o consumo humano, após tratamento convencional ou avançado; irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e frutas que se desenvolvam rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de película; irrigação de parques, jardins, campos de esporte e lazer, com os quais o público possa vir a ter contato direto.

0,003 mg L-1

Efluente Quaisquer fontes poluidoras que lançam resíduos em corpos de água.

0,5 mg L-1

Portanto, encontrar um método para sua identificação é de extrema importância, e diversas pesquisas já estão sendo realizadas com métodos diversos e sensíveis para a detecção deste poluente nos recursos naturais [4]. No entanto, muitas das técnicas já desenvolvidas para a identificação, como por exemplo, a espectrometria de massas e cromatografia gasosa, necessitam de pessoas qualificadas para manuseio, um laboratório e diversos reagentes, resultando em altos custos e a geração de dejetos, tornando-os inadequados para o processo. Uma alternativa mais conveniente é a utilização de biossensores [3].

Um sensor é um dispositivo químico analítico cujo objetivo é a identificação de compostos e suas concentrações através de um sinal físico emitido na transdução. O biossensor faz o mesmo, usufruindo de um componente biológico, tal como enzimas, em um biossensor enzimático, e diversas células, presentes em sua estrutura capazes de produzir uma resposta que é traduzida pelo componente físico em um sinal elétrico ou óptico. O fato deste último partir de elementos biológicos, e consequentemente biodegradáveis, o torna mais qualificado para a aplicação neste trabalho pois, além da minimização na geração de resíduos, ainda permite uma resposta imediata e

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alta seletividade e sensibilidade [5]. Entre os itens que compõem um biossensor, o que apresenta maior custo é o transdutor, aparelho responsável por converter a resposta do componente biológico ao contato com o composto desejado em um sinal mensurável para análise [6].

Considerando o fato de que os fenóis são eletroativos, e consequentemente sujeitos a reações de transferência eletrônica de oxidação e redução, podem ser estudados a partir de métodos eletroquímicos. Esta metodologia faz parte da Química que estuda as transformações químicas provocadas pela corrente elétrica de compostos em reação, que perdem e ganham elétrons entre si. Todos os processos que envolvem a transferência de elétrons são chamados de reações de oxirredução [7].

Dentre os estudos sobre a eletroquímica, se encontram as técnicas voltamétricas que são uma boa alterativa para muitas aplicações, como por exemplo, na química analítica, devido à alta sensibilidade e ao baixo custo operacional e instrumental [8]. Esta técnica relaciona a tensão elétrica, a corrente e o tempo de uma reação eletroquímica de duas possíveis formas, a voltametria cíclica e a voltametria de pulso diferencial. A técnica consiste no cálculo da potência adquirida no decorrer de uma reação a partir do eletrodo de trabalho que se encontra imerso no meio reacional, medindo-se a corrente resultante. Para medindo-se obter as medidas adquiridas, é necessário um potenciostato, aparelho capaz de exibir os valores gerados pelo biossensor em um computador.

Este método para obtenção de valores é muito utilizado nos laboratórios atualmente. No entanto, é necessário uma pessoa capacitada e um local físico, como um laboratório, para manuseio do mesmo. Logo, quando se trata de uma análise em ambiente urbano, a técnica se torna desinteressante devido ao trabalho de recolher e armazenar amostras e o custo do laboratório, por isto é desejável um mecanismo “portátil” e de baixo custo para que possa ser utilizada em casos em que uma análise simples é feita.

Assim, este trabalho teve como objetivo propor uma técnica eficaz para análise urbana de maneira rápida e simples, integrando a metodologia para detecção de compostos fenólicos via biossensores a uma plataforma capaz de coletar dados e monitorar os mesmos remotamente.

2 METODOLOGIA

Para que os objetivos deste trabalho fossem contemplados com sucesso, utilizou-se um biossensor composto por três microeletrodos (referência, trabalho e contra eletrodo), sendo a enzima Tirosinase a responsável pela catálise biológica do fenol. A enzima foi posta sobre o microelétrodo de trabalho e, após secar, colocou-se a amostra a ser analisada de modo que entre em contato com os três microelétrodos e a enzima.

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Devido à baixa corrente gerada pelo biossensor, um pequeno circuito de amplificação foi montado como ilustra a Figura 2. É importante ressaltar que um módulo INA219 também foi integrado ao circuito.

Figura 2. Sistema de amplificação do sinal.

FONTE: do AUTOR, 2019.

Durante os testes, foi observado que a corrente de interesse só era adquirida quando o biossensor era alimentado com uma tensão de 400-600 mV, fazendo-se necessário um outro circuito para tal função (Figura 3).

Figura 3. Circuito de alimentação para o biossensor.

3 RESULTADOS

Os resultados obtidos mostraram-se de acordo com os resultados esperados, tendo sido utilizado um Node MCU com módulo Wi-Fi. Os dados foram transmitidos ao Blynk, um aplicativo para dispositivos móveis que permite ao usuário a visualização dos dados obtidos pelo sistema.

Para verificar a eficácia dos biossensores, foram realizados três testes contendo diferentes concentrações de hidroquinona (substitutivo do fenol devido a segurança) em três biossensores diferentes, como demonstrado nos subtópicos a seguir.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 3.1 PRIMEIRO BIOSSENSOR

Figura 4. Teste 1 – Solução contendo 80 mmol/L de hidroquinona em tampão fosfato pH 7 (pico 1,3595E-5 Amp; 5,2719E-1 V).

Figura 5. Teste 2 – Solução contendo 6,4 mmol/L de hidroquinona em tampão fosfato pH 7 (pico 2,1875E-6 Amp; 4,7485E-1 V).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 3.2 SEGUNDO BIOSSENSOR

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 3.3 TERCEIRO BIOSSENSOR

Figura 12. Teste 3 – Solução contendo 3,2 mmol/L de hidroquinona em tampão fosfato pH 7 (pico 1,1295E-6 Amp; 4,2999-1 V).

Fisicamente, não há diferenças entre os biossensores e as soluções utilizadas são provenientes do mesmo balão volumétrico, logo, conclui-se que a mudança superficial dos dados obtidos se deve ao tempo entre o preparo da solução até o momento da análise. É válido ressaltar

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que os gráficos dos itens 3.1 a 3.3 foram adquiridos a partir do software NOVA®, disponibilizado pela Metrohm Autolab©, para leitura dos dados obtidos no potenciostato (Figura 13).

Figura 13. Potenciostato disponível no Laboratório de Pesquisa da PUC-Campinas e adaptador para conectar o biossensor ao mesmo.

Utilizou-se o mesmo adaptador que foi usado no potenciostato para a conexão do biossensor com o circuito conectado ao NodeMCU conforme a Figura 14.

Figura 14. Circuito montado e desenvolvido pelo aluno no Laboratório de elétrica da PUC-Campinas e adaptador para conectar o biossensor ao mesmo.

4 CONCLUSÃO

Como principal conclusão desse trabalho, pode-se destacar que foi possível a implementação de um biossensor com características de portabilidade para a detecção de compostos fenólicos, utilizando transmissão de sem fio, com padrão Wi-Fi.

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Como trabalhos futuros, sugere-se uma maior miniaturização dos circuitos implementados, confecção de placas de circuito impresso e realização de testes em campo.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a minha orientadora Lia Toledo Moreira Mota que me proporcionou a oportunidade de realizar este trabalho, e também a Valéria Cristina que me auxiliou no Laboratório de Elétrica.

Agradeço também a todos os técnicos da PUC-Campinas dos laboratórios de Química e Elétrica por me ajudarem e compartilharem seus conhecimentos sempre que precisei, e a Instituição da PUC-Campinas pelo fornecimento dos laboratórios e completo auxilio.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.59469-59480 aug. 2020. ISSN 2525-8761 REFERÊNCIAS

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RODRIGUES, Guilherme Dias; SILVA, Luis Henrique Mendes. ALTERNATIVAS VERDES PARA O PREPARO DE AMOSTRA E DETERMINAÇÃO DE POLUENTES FENÓLICOS EM ÁGUA. Química Nova, MG, Brasil, 20 jul. 2010.

Das P.; Barbosa, L.; Das, M.; Goswami, P. (2014) Highly sensitive and stable based on Amperometric biossensor developed on nanocomposite matrix for detecting on pyrocatechol in environmental samples. Sens. Actuat. B, vol. 192, p.737-74.

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Wang, J. Analytical Electrochemistry, Wiley-VHC, second edition, Weinheim, 2000. [75] – Brett, A. M.; Brett, C.M. Eletroquímica – Princípios, Métodos e Aplicações. Livraria Almeida, Coimbra, 1996.