Laccase–Prussian blue film–graphene doped carbon paste modified electrode for carbamate pesticides quantification

A novel enzymatic biosensor for carbamate pesticides detection was developed through the direct immobilization of Trametes versicolor laccase on graphene doped carbon paste electrode functionalized with Prussianblue films (LACC/PB/GPE). Graphene was prepared by graphite sonication-assisted exfoliation and characterized by transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectro- scopy. The Prussian blue film electrodeposited onto graphene doped carbon paste electrode allowed considerable reduction of the charge transfer resistance and of the capacitance of the device.The combined effects of pH, enzyme concentration and incubation time on biosensor response were optimized using a 23 full-factorial statistical design and response surface methodology. Based on the inhibition of laccase activity and using 4-aminophenol as redox mediator at pH 5.0,LACC/PB/GPE exhibited suitable characteristics in terms of sensitivity, intra-and inter-day repeatability (1.8–3.8% RSD), reproducibility (4.1 and 6.3%RSD),selectivity(13.2% bias at the higher interference: substrate ratios tested),accuracy and stability(ca. twenty days)for quantification of five carbamates widely applied on tomato and potato crops.The attained detection limits ranged between 5.2×10−9 mol L−1(0.002 mg kg−1 w/w for ziram)and 1.0×10−7 mol L−1 (0.022 mg kg−1 w/w for carbofuran).Recovery values for the two tested spiking levels ranged from 90.2±0.1%(carbofuran)to 101.1±0.3% (ziram) for tomato and from 91.0±0.1%(formetanate)to 100.8±0.1%(ziram)for potato samples.The proposed methodology is appropriate to enable testing pesticide levels in food samples to fit with regulations and food inspections.

Sensitive bi-enzymatic biosensor based on polyphenoloxidases–gold nanoparticles–chitosan hybrid film–graphene doped carbon paste electrode for carbamates detection

A bi-enzymatic biosensor (LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE) for carbamates was prepared in a single step by electrodeposition of a hybrid film onto a graphene doped carbon paste electrode (GPE). Graphene and the gold nanoparticles (AuNPs) were morphologically characterized by transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, dynamic light scattering and laser Doppler velocimetry. The electrodeposited hybrid film was composed of laccase (LACC), tyrosinase (TYR) and AuNPs entrapped in a chitosan (CS) polymeric matrix. Experimental parameters, namely graphene redox state, AuNPs:CS ratio, enzymes concentration, pH and inhibition time were evaluated. LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE exhibited an improved Michaelis–Menten kinetic constant (26.9 ± 0.5 M) when compared with LACC–AuNPs–CS/GPE (37.8 ± 0.2 M) and TYR–AuNPs–CS/GPE (52.3 ± 0.4 M). Using 4-aminophenol as substrate at pH 5.5, the device presented wide linear ranges, low detection limits (1.68×10− 9 ± 1.18×10− 10 – 2.15×10− 7 ± 3.41×10− 9 M), high accuracy, sensitivity (1.13×106 ± 8.11×104 – 2.19×108 ± 2.51×107 %inhibition M− 1), repeatability (1.2–5.8% RSD), reproducibility (3.2–6.5% RSD) and stability (ca. twenty days) to determine carbaryl, formetanate hydrochloride, propoxur and ziram in citrus fruits based on their inhibitory capacity on the polyphenoloxidases activity. Recoveries at two fortified levels ranged from 93.8 ± 0.3% (lemon) to 97.8 ± 0.3% (orange). Glucose, citric acid and ascorbic acid do not interfere significantly in the electroanalysis. The proposed electroanalytical procedure can be a promising tool for food safety control.

Biosensor based on multi-walled carbon nanotubes paste electrode modified with laccase for pirimicarb pesticide quantification

This study focused on the development of a sensitive enzymatic biosensor for the determination of pirimicarb pesticide based on the immobilization of laccase on composite carbon paste electrodes. Multi- walled carbon nanotubes(MWCNTs)paste electrode modified by dispersion of laccase(3%,w/w) within the optimum composite matrix(60:40%,w/w,MWCNTs and paraffin binder)showed the best performance, with excellent electron transfer kinetic and catalytic effects related to the redox process of the substrate4- aminophenol. No metal or anti-interference membrane was added. Based on the inhibition of laccase activity, pirimicarb can be determined in the range 9.90 ×10- 7 to 1.15 ×10- 5 molL 1 using 4- aminophenol as substrate at the optimum pH of 5.0, with acceptable repeatability and reproducibility (relative standard deviations lower than 5%).The limit of detection obtained was 1.8 × 10-7 molL 1 (0.04 mgkg 1 on a fresh weight vegetable basis).The high activity and catalytic properties of the laccase- based biosensor are retained during ca. one month. The optimized electroanalytical protocol coupled to the QuEChERS methodology were applied to tomato and lettuce samples spiked at three levels; recoveries ranging from 91.0±0.1% to 101.0 ± 0.3% were attained. No significant effects in the pirimicarb electro- analysis were observed by the presence of pro-vitamin A, vitamins B1 and C,and glucose in the vegetable extracts. The proposed biosensor- based pesticide residue methodology fulfills all requisites to be used in implementation of food safety programs.

“Green Electrodes” Modified with Au Nanoparticles Synthesized in Glycerol, as Electrochemical Nitrite Sensor

A new environmentally friendly Au nanoparticles (Au NPs) synthesis in glycerol by using ultraviolet irradiation and without extra-added stabilizers is described. The synthesis proposed in this work may impact on the non-polluting production of noble nanoparticles with simple chemicals normally found in standard laboratories. These Au NPs were used to modify a carbon paste electrode (CPE) without having to separate them from the reaction medium. This green electrode was used as an electrochemical sensor for the nitrite detection in water. At the optimum conditions the green sensor presented a linear response in the 2.0×10−7–1.5×10−5 M concentration range, a good detection sensitivity (0.268 A L mol−1), and a low detection limit of 2.0×10−7 M of nitrite. The proposed modified green CPE was used to determine nitrite in tap water samples.

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.

Elétrodo de pasta de carbono molecularmente impresso para deteção voltamétrica de Furazolidona

A furazolidona é uma substância ativa do medicamento Giarlam que contém um espetro anti-bacteriano relativamente amplo e que é frequentemente usado para tratar certas doenças bacterianas e protozoárias no homem. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabólitos exige o desenvolvimento constante de métodos analíticos eficientes. Neste trabalho desenvolveu-se um novo sensor eletroquímico para a deteção da furazolidona, baseado num elétrodo de pasta de carbono modificado com um polímero molecularmente impresso. A procura de novos materiais que permitam uma melhor seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção é especialmente importante no desenvolvimento de métodos analíticos. Os polímeros molecularmente impressos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais frequente como ferramenta importante em química analítica. Assim, sintetizou-se um polímero com cavidades seletivas para a Furazolidona. Este polímero foi, misturado com grafite e perafina de modo a produzir uma pasta de carbono. Uma seringa de plástico foi usada como suporte da pasta de carbono. O comportamento eletroquímico do sensor foi avaliado e diversas condições de utilização foram estudadas e otimizadas. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade do pico e a concentração numa gama de concentrações entre 1 e 100 μM, um limite de deteção de 1 μM e uma precisão (repetibilidade) inferior a 7%. A aplicabilidade do sensor fabricado em amostras complexas foi avaliada pela deteção do fármaco em amostras de urina.

DNA-based biosensor for the electrocatalytic determination of antioxidant capacity in beverages

Reactive oxygen species (ROS) are produced as a consequence of normal aerobic metabolism and are able to induce DNA oxidative damage. At the cellular level, the evaluation of the protective effect of antioxidants can be achieved by examining the integrity of the DNA nucleobases using electrochemical techniques. Herein, the use of an adenine-rich oligonucleotide (dA21) adsorbed on carbon paste electrodes for the assessment of the antioxidant capacity is proposed. The method was based on the partial damage of a DNA layer adsorbed on the electrode surface by OH• radicals generated by Fenton reaction and the subsequent electrochemical oxidation of the intact adenine bases to generate an oxidation product that was able to catalyze the oxidation of NADH. The presence of antioxidant compounds scavenged hydroxyl radicals leaving more adenines unoxidized, and thus, increasing the electrocatalytic current of NADHmeasured by differential pulse voltammetry (DPV). Using ascorbic acid (AA) as a model antioxidant species, the detection of as low as 50nMof AA in aqueous solution was possible. The protection efficiency was evaluated for several antioxidant compounds. The biosensor was applied to the determination of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages.

Electrocatalytic evaluation of DNA damage by superoxide radical for antioxidant capacity assessment

The integrity of DNA purine bases was herein used to evaluate the antioxidant capacity. Unlike other DNA-based antioxidant sensors reported so far, the damaging agent chosen was the O 2 radical enzymatically generated by the xanthine/xanthine oxidase system. An adenine-rich oligonucleotide was adsorbed on carbon paste electrodes and subjected to radical damage in the presence/absence of several antioxidant compounds. As a result, partial damage on DNA was observed. A minor product of the radical oxidation was identified by cyclic voltammetry as a diimine adenine derivative also formed during the electrochemical oxidation of adenine/guanine bases. The protective efficiency of several antioxidant compounds was evaluated after electrochemical oxidation of the remaining unoxidized adenine bases, by measuring the electrocatalytic current of NADH mediated by the adsorbed catalyst species generated. A comparison between O 2 and OH radicals as a source of DNA lesions and the scavenging efficiency of various antioxidant compounds against both of them is discussed. Finally, the antioxidant capacity of beverages was evaluated and compared with the results obtained with an optical method.

Construção de Biossensores de ADN para a Avaliação da Capacidade Antioxidante

Mestrado em Engenharia da Computação e Instrumentação Médica

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNOS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de agentes oxidantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos agentes oxidantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por agentes oxidantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três agentes oxidantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como agentes oxidantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se utilizou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (871 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L). Na presença de HClO, o valor de CAT mais elevado pertence a uma amostra de sumo (513 mg AAE/L) mas, o valor de CAT da amostra de sumo natural é muito mais baixa do que o esperado (17 mg AAE/L). Foram estudados outros antioxidantes para além do AA (ácido cumárico, ácido gálico e ácido cafeico), e constatou-se que cada um deles promove proteção ao dA20-EPC na presença de cada um dos diferentes contaminantes (H2O2, NO• e HClO).

BIiossensor Enzimático para avaliação da Capacidade Antioxidente

Os radicais livres formam-se naturalmente nos organismos vivos, pois a sua produção/geração está interligada com o processo de produção de energia (respiração), processos inflamatórios (fagocitose), regulação do crescimento celular, sinalização intercelular e síntese de substâncias biológicas relevantes. Estes também podem ser introduzidos por vias exógenas (poluição, radiação, tabaco, alimentação, etc). Os radicais livres têm capacidade de reagir com o material nucleico (ADN e ARN), proteínas e substâncias oxidáveis, causando danos oxidativos responsáveis pelo envelhecimento e originar doenças degenerativas, tais como, o cancro, arteriosclerose, artrite reumatoide, entre outras. De forma a combater os efeitos pejorativos provocados pelos radicais, os organismos vivos desenvolveram complexos sistemas de defesa antioxidante. Estes sistemas são constituídos por antioxidantes endógenos, produzidos pelos seres vivos, tais como enzimas ou por antioxidantes exógenos obtidos por via da alimentação (por exemplo o ácido ascórbico). Neste sentido, um antioxidante tem capacidade de eliminar ou reduzir a propagação da cadeia de geração de radicais livres. Neste trabalho foi desenvolvido um biossensor enzimático para a quantificação da capacidade antioxidante total de matrizes alimentares. A construção deste biossensor consistiu na eletroimobilização da adenina no elétrodo de pasta de carbono (EPC) ou na adsorção física da dA20 na superfície do EPC. O dano oxidativo foi induzido pelo radical hidroxilo gerado pela reação de Fenton. Nesta dissertação, foi estudada a capacidade de alguns antioxidantes em eliminar o efeito pejorativo dos radicais livres e combater a integridade das bases de adenina ou do dA20.Os antioxidantes estudados foram o ácido ascórbico e alguns ácidos fenólicos como o ácido hidroxibenzoico (ácido gálico) e ácidos hidroxicinâmicos (ácido cafeico e ácido cumárico). Estes antioxidantes têm a capacidade de neutralizar o radical hidroxilo e proteger a adenina/dA20 imobilizado na superfície do EPC. O comportamento da Lacase foi estudado na presença do ácido gálico e do ácido ascórbico. Os estudos eletroquímicos foram realizados através da voltametria de onda quadrada (VOQ), sendo que a interação entre a adenina/ou o dA20 imobilizada na superfície do EPC e os radicais livres na ausência e presença de antioxidantes foi avaliada por meio de mudanças no pico anódico produzido pela oxidação da adenina /dA20. Os resultados demonstraram que estes biossensores permitem a avaliação da capacidade antioxidante total em águas aromatizadas.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Optical fiber sensor for Hg(II) based on carbon dots

An optical fiber sensor for Hg(II) in aqueous solution based on sol–gel immobilized carbon dots nanoparticles functionalized with PEG200 and N-acetyl-l-cysteine is described. This sol–gel method generated a thin (about 750 nm), homogenous and smooth (roughness of 2.7±0.7 a˚ ) filmthat immobilizes the carbon dots and allows reversible sensing of Hg(II) in aqueous solution. A fast (less than 10 s), reversible and stable (the fluorescence intensity measurements oscillate less than 1% after several calibration cycles) sensor system was obtained. The sensor allow the detection of submicron molar concentrations of Hg(II) in aqueous solution. The fluorescence intensity of the immobilized carbon dots is quenched by the presence of Hg(II) with a Stern-Volmer constant (pH = 6.8) of 5.3×105M−1.

Layer-by-layer immobilization of carbon dots fluorescent nanomaterials on single optical fiber

We report within this paper the development of a fiber-optic based sensor for Hg(II) ions. Fluorescent carbon nanoparticles were synthesized by laser ablation and functionalized with PEG200 and N-acetyl-l-cysteine so they can be anionic in nature. This characteristic facilitated their deposition by the layer-by-layer assembly method into thin alternating films along with a cationic polyelectrolyte, poly(ethyleneimine). Such films could be immobilized onto the tip of a glass optical fiber, allowing the construction of an optical fluorescence sensor. When immobilized on the fiber-optic tip, the resultant sensor was capable of selectively detecting sub-micromolar concentrations of Hg(II) with an increased sensitivity compared to carbon dot solutions. The fluorescence of the carbon dots was quenched by up to 44% by Hg(II) ions and interference from other metal ions was minimal.

Electrochemical DNA-sensor for evaluation of total antioxidant capacity of flavours and flavoured waters using superoxide radical damage

In this paper, a biosensor based on a glassy carbon electrode (GCE) was used for the evaluation of the total antioxidant capacity (TAC) of flavours and flavoured waters. This biosensor was constructed by immobilising purine bases, guanine and adenine, on a GCE. Square wave voltammetry (SWV) was selected for the development of this methodology. Damage caused by the reactive oxygen species (ROS), superoxide radical (O2·−), generated by the xanthine/xanthine oxidase (XOD) system on the DNA-biosensor was evaluated. DNA-biosensor encountered with oxidative lesion when it was in contact with the O2·−. There was less oxidative damage when reactive antioxidants were added. The antioxidants used in this work were ascorbic acid, gallic acid, caffeic acid, coumaric acid and resveratrol. These antioxidants are capable of scavenging the superoxide radical and therefore protect the purine bases immobilized on the GCE surface. The results demonstrated that the DNA-based biosensor is suitable for the rapid assess of TAC in beverages.