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Utilizando um conjunto de materiais cuidadosamente preparados e combinados, pesquisadores da USP de São Carlos desenvolveram um imunossensor fotoeletroquímico portátil com potencial para uso no diagnóstico precoce de doenças. O dispositivo permite a detecção rápida e precisa de doenças como o câncer, inclusive em estágio inicial. O imunossensor foi testado, com resultados muito bons, na detecção do antígeno prostático específico (PSA na sigla em inglês), que é o marcador mais utilizado para diagnosticar e acompanhar casos de câncer de próstata a partir de amostras de sangue.
Em um sistema compacto, que cabe em uma mão, o dispositivo reúne todos os elementos necessários para realizar o diagnóstico, prescindindo de laboratórios e profissionais especializados. Dessa forma, torna-se atrativo, por exemplo, para uso em locais afastados de centros de saúde e se insere dentro do paradigma de point-of-care testing, uma expressão que designa, na área de saúde, a possibilidade de se fazer exames clínicos no mesmo local do atendimento médico.
“A tecnologia desenvolvida tem potencial para facilitar e tornar mais rápidos e precisos os diagnósticos de câncer, principalmente no estágio inicial. O método permite a detecção de biomarcadores em baixos níveis de concentração e no próprio consultório médico”, diz Thiago Serafim Martins, um dos autores correspondentes do artigo que reporta esta pesquisa e foi capa no periódico ACS Applied Materials & Interfaces. Martins participou deste trabalho durante o seu doutorado, cuja tese foi defendida neste ano no Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP).

O desafio
Imunossensores formam uma classe de dispositivos de detecção cujo funcionamento se baseia na interação entre anticorpos e os seus antígenos. Nesses biossensores, anticorpos são imobilizados na superfície da plataforma de detecção de modo que, ao entrarem em contato com seus respectivos antígenos, e apenas com eles, ocorra a reação química que, no organismo, permite que nos defendamos dos patógenos.
Nesse momento, entra em cena outro componente do imunossensor, o transdutor, o qual traduz essa informação imunoquímica em outro tipo de sinal que possa ser facilmente interpretado (geralmente uma corrente elétrica). Quando essa tradução se baseia em reações eletroquímicas, o dispositivo é chamado de imunossensor eletroquímico. E quando a geração de corrente elétrica é incentivada pela ação da luz sobre um material sensível, se diz que o imunossensor é fotoeletroquímico, “Os biossensores fotoeletroquímicos pertencem a uma abordagem analítica sensível e de baixo custo para detectar moléculas de interesse clínico e ambiental”, diz José Luiz Bott-Neto, pós-doutorando no Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP) e coautor correspondente do paper. Entretanto, explica ele, antes deste trabalho, essa tecnologia exigia o uso de fontes de luz de grandes dimensões e alta potência, o que inviabilizava o seu uso em dispositivos portáteis.
Frente a essa limitação, a equipe da USP São Carlos se propôs a desenvolver um fotocatalisador (um nanomaterial capaz de aumentar a capacidade do sistema de absorver luz e transformá-la em corrente elétrica) que permitisse usar fontes de luz menores. Os pesquisadores partiram de dois materiais que, além de apresentar propriedades fotocatalisadoras, são atóxicos, de baixo custo e fácil preparo: o dióxido de titânio (TiO2) e o nitreto de carbono grafítico (gC3N4). Então, eles inseriram átomos de níquel na estrutura do nitreto de carbono grafítico, formando o composto Ni-gC3N4, e combinaram esse material com nanopartículas de dióxido de titânio, resultando na formação do compósito Ni-gC3N4/TiO2. Finalmente, trataram a superfície do compósito com sal de aril diazônio. “Este último atuou como amplificador de sinal ao mesmo tempo que possibilitou a imobilização dos anticorpos nas nanopartículas”, diz Bott-Neto. O fotocatalisador foi usado para revestir os eletrodos de carbono do sistema fotoeletroquímico.
O resultado
Sempre buscando simplicidade e miniaturização, os autores montaram um protótipo do dispositivo com os fotocatalisadores, os anticorpos anti-PSA imobilizados neles, um sistema elétrico e, como fonte de luz, um LED de 3 watts, além de peças produzidas por meio de impressão 3D. Nos testes de desempenho, o immunosensor fotoeletroquímico foi capaz de detectar o PSA em diversas concentrações em amostras de soro humano, e apresentou o menor limite de detecção já relatado na literatura para dispositivos desse tipo, segundo os autores do artigo. “A alta sensibilidade e seletividade do imunossensor pode ser atribuída à heterojunção entre Ni-gC3N4 e TiO2”, explica Bott-Neto.
O trabalho traz uma contribuição fundamental para levar a tecnologia de detecção fotoeletroquímica, que se caracteriza pelo baixo custo e altos níveis de sensibilidade e seletividade, a aplicações que requerem portabilidade, como os testes point-of-care.

Referência do artigo científico: Photocatalysis of TiO2 Sensitized with Graphitic Carbon Nitride and Electrodeposited Aryl Diazonium on Screen-Printed Electrodes to Detect Prostate Specific Antigen under Visible Light. José L Bott-Neto, Thiago S Martins, Lorenzo A Buscaglia, Sergio A S Machado, and Osvaldo N Oliveira Jr. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 19, 22114–22121. https://doi.org/10.1021/
Contato de autor correspondente: joseluiz.bott@gmail.com
Ilustríssima Senhora Presidente,
A Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat) expressa sua grande preocupação com a perda de acesso às revistas da editora Royal Society of Chemistry (RSC), ocorrida a partir desse mês de agosto, em decorrência de não ter sido realizada renovação da assinatura dentro do Portal de Periódicos, da CAPES.
A RSC é a sociedade de química mais antiga do mundo, com 180 anos e mais de 50.000 membros, e edita revistas importantes não apenas na área de química, mas também em áreas afins, como a engenharia de materiais, por exemplo. Apesar de possuir 13 revistas no sistema open access, a grande maioria dos artigos publicados nas outras 40 revistas editadas pela RSC só é acessível a partir da assinatura, conforme vinha acontecendo em anos anteriores, a partir do Portal de Periódicos. Com essa quebra, pesquisadores brasileiros deixam de ter acesso a publicações de alto fator de impacto tais como: Chemical Society Reviews (FI = 56,283), Energy and Environmental Science (FI = 39,151), Materials Horizons (FI = 16,152), Journal of Materials Chemistry A (FI = 13,375), entre muitas outras. Ressaltamos que, entre as revistas editadas pela RSC, já classificadas pelo JCR, todas têm fator de impacto acima de 3.
Desse modo, entendemos que a descontinuidade da assinatura das revistas editadas pela RSC trará um prejuízo imenso para pesquisadores de diferentes áreas, sendo fundamental a manutenção do acesso a essas revistas. Certa de sua compreensão acerca desse anseio da comunidade científica do país, contamos com o importante apoio da CAPES às pós-graduações e colocamo-nos à disposição para quaisquer esclarecimentos.
Atenciosamente,
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Uma equipe de pesquisadores de instituições brasileiras deu os primeiros passos rumo ao uso da flogopita, mineral abundante no Brasil, como fonte natural de camadas isolantes ultrafinas que poderão ser usadas em dispositivos optoeletrônicos do futuro. “O nosso trabalho apresenta a inserção desse mineral natural na pesquisa de materiais e seu possível uso em diferentes áreas da nanotecnologia”, diz o cientista Alisson R. Cadore, autor correspondente do artigo recentemente publicado no periódico 2D Materials.
O trabalho se insere na busca por materiais bidimensionais (de um ou poucos átomos de espessura) de baixo custo. Nessa procura, a comunidade científica tem investigado os chamados “materiais lamelares”, os quais são formados por camadas ultrafinas empilhadas, unidas entre si pelas chamadas “forças de van der Waals”. Por serem relativamente fracas, essas forças físicas permitem que a separação das lamelas seja feita por meio de diversos métodos. Um dos exemplos mais conhecidos desse grupo é o grafite, que é a fonte do grafeno. Outro exemplo é o das micas, família de minerais que inclui a flogopita, a qual nunca tinha sido estudada na sua forma bidimensional antes do trabalho da equipe brasileira.
Neste trabalho, os pesquisadores usaram cristais macroscópicos de flogopita minerados em Itabira (MG) para gerar camadas bidimensionais mediante esfoliação mecânica. Essa técnica extremamente simples ganhou fama por ter protagonizado a primeira obtenção bem-sucedida de grafeno, que valeu o prêmio Nobel de Física a Andre Geim e Konstantin Novoselov em 2010. Nesse método, utiliza-se uma fita adesiva comum para separar flocos do material, os quais ficam grudados à fita. O procedimento é repetido até chegar à camada mais fina possível, a monocamada.
Usando esse método, os autores do artigo obtiveram monocamadas e flocos de algumas camadas de flogopita. Com eles, realizaram uma robusta caracterização que envolveu diversas técnicas experimentais em laboratórios da Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM), do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Alguns resultados foram confirmados com simulações computacionais realizadas pelos autores da Universidade Federal de Lavras (UFLA).

“Neste trabalho, identificamos teórica e experimentalmente a composição química e estrutural da flogopita e demonstramos que esse isolante natural e abundante pode ser esfoliado até o limite de uma única camada, mantendo suas características físicas”, resume Cadore, que atualmente é pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), mas realizou o trabalho na UPM, onde era professor. Uma das principais descobertas do estudo foi o fato de que a flogopita ultrafina é estável quando é submetida a processamento térmico, bem como quando é exposta ao ambiente (as amostras ficaram durante 13 meses em condições ambiente sem apresentar degradação).
Além disso, o trabalho comparou as características da flogopita com as do isolante sintético mais utilizado internacionalmente como substrato em nanodispositivos, o nitreto de boro hexagonal. Para isso, a equipe brasileira desenvolveu uma colaboração com o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão (NIMS), onde é produzido o material com as melhores propriedades físicas. O grupo japonês forneceu os cristais sintéticos.
De acordo com os autores, dado que a flogopita bidimensional é um ótimo isolante elétrico e térmico, além de ser naturalmente abundante e de fácil extração, ela poderá ser usada como material de baixo custo em dispositivos que ainda são pouco explorados na escala nano, como transistores, capacitores e fotodetectores. Essas aplicações se tornam ainda mais promissoras perante a possibilidade de utilizar a flogopita bidimensional em estruturas de propriedades únicas chamadas “heteroestruturas de van der Waals”, as quais são formadas pelo empilhamento de camadas ultrafinas de materiais diferentes, unidas por forças de van der Waals. Por isso, os autores do artigo montaram heteroestruturas de flogopita e dissulfeto de tungstênio e estudaram algumas das suas propriedades. “Destacamos que a flogopita bidimensional é um isolante estável às condições ambiente e pode ser ainda facilmente combinado com outros materiais 2D, criando heteroestruturas híbridas ultrafinas, o que amplia a aplicação desse nanomaterial em novos dispositivos optoeletrônicos futuros”, diz Cadore.

Realizado dentro do doutorado de Raphaela de Oliveira, o trabalho da flogopita bidimensional se insere em uma linha de trabalho iniciada no Departamento de Física da UFMG. “Nossos estudos sempre envolveram diferentes pesquisadores nacionais e internacionais na obtenção e caracterização de diferentes materiais 2D naturais e a sua aplicação em nanodispositivos e nanofotônica ”, conta Cadore, cujo doutorado em Física pela UFMG foi sobre heteroestruturas bidimensionais de grafeno. O objetivo dessas pesquisas é achar materiais com as características ideais para essas aplicações, de modo a substituir os sintéticos, que têm alto custo.
O trabalho desenvolvido com a flogopita foi inspirado por estudos realizados com pedra-sabão, iniciados na UFMG em 2015. Os estudos com esse mineral continuaram no LNLS – CNPEM conduzidos pela pesquisadora Ingrid Barcelos, que também fez doutorado em Física na UFMG com uma pesquisa sobre heteroestruturas de van der Waals. Em 2021, Ingrid ganhou, pelo trabalho com pedra-sabão, um dos prêmios Para Mulheres na Ciência, outorgados pela L’Oréal Brasil em parceria com a UNESCO e Academia Brasileira de Ciências (ABC).

A pesquisa sobre flogopita bidimensional teve financiamento da CAPES, CNPq, Fundo Mackenzie de Pesquisa e Inovação, FAPESP, FAPEMIG e Prêmio L´OREAL-UNESCO-ABC Para Mulheres na Ciência.
Referência do artigo científico: Exploring the structural and optoelectronic properties of natural insulating phlogopite in van der Waals heterostructures. Alisson R Cadore, Raphaela de Oliveira, Raphael Longuinhos, Verônica de C Teixeira, Danilo A Nagaoka, Vinicius T Alvarenga, Jenaina Ribeiro-Soares, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Roberto M Paniago, Angelo Malachias, Klaus Krambrock, Ingrid D Barcelos and Christiano J S de Matos. 2022 2D Mater. 9 035007. https://doi.org/10.1088/2053-
Contato do autor correspondente: alissoncadore@
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Uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal do Paraná (UFPR) desenvolveu um biossensor de baixo custo capaz de detectar anticorpos da Covid-19 em cerca de 30 minutos e com alta sensibilidade. O sistema mostrou-se promissor para produzir dispositivos portáteis e descartáveis que possam ser usados para diagnosticar a infecção por coronavírus ou, ainda, para confirmar a produção de anticorpos após a vacinação usando apenas algumas gotas de sangue.
Biossensores são sistemas que possuem um elemento biológico (neste caso, a proteína N do vírus SARS-CoV-2) responsável por interagir quimicamente com aquilo que se deseja detectar (neste caso, o anticorpo específico para esse antígeno). Quando a interação ocorre, a reação química é transformada no dispositivo em um sinal interpretável.
O biossensor desenvolvido na UFPR se baseia em uma malha de aço inoxidável revestida com um material híbrido, formado por um polímero que conduz eletricidade (o polipirrol) e nanopartículas de ouro. Nessas nanopartículas, as proteínas do vírus são imobilizadas, de modo que os anticorpos das amostras de sangue, se houver, entram em contato com os seus antígenos, reagem espontaneamente com eles e se tornam detectáveis.
Combate à pandemia
A ideia do trabalho surgiu no início da pandemia de Covid-19, quando a sociedade sentiu a necessidade imperiosa de contar com sistemas capazes de detectar tanto o vírus quanto os anticorpos gerados pela infecção. Nesse momento, os professores Dênio Souto e Marcio Vidotti, da UFPR, decidiram reunir as suas expertises em sensores e temas afins para participar desses esforços mundiais.
“De início já sabíamos que a urgência e a multidisciplinaridade do assunto aumentariam o nosso desafio”, diz Bruna M. Hryniewicz, primeira autora do artigo que reporta esta pesquisa no periódico Materials Today Chemistry. Bruna participou da pesquisa durante o seu doutorado, ainda em andamento, sob orientação do professor Vidotti, ambos do Grupo de Pesquisa em Macromoléculas e Interfaces da UFPR.
A proposta foi construir um sistema de detecção de anticorpos baseado na tese de doutorado de Ana Leticia Soares, que acabava de ser defendida pela UFPR. Com orientação dos professores Marcio Vidotti e Luis Fernando Marchesi, o trabalho resultou numa plataforma formada por um polímero condutor modificado com nanopartículas de ouro que apresentou respostas promissoras ao ser unida a diversos pares de antígenos e anticorpos.
Mais sensibilidade e seletividade

Partindo dessa plataforma, a equipe investigou algumas questões que poderiam melhorar a sensibilidade e seletividade do biossensor – parâmetros que permitem diminuir a quantidade de falsos positivos e negativos nos resultados da detecção, inclusive em pequenas quantidades de amostra.
Nesse sentido, os autores sintetizaram e caracterizaram duas morfologias de polipirrol para produzir o material híbrido, a globular e a nanotubular, e verificaram que o biossensor de nanotubos poliméricos tinha uma sensibilidade oito vezes maior para detectar os anticorpos do que o sistema com polipirrol globular.
Outro ponto importante foi a escolha do método de imobilização da proteína N nas nanopartículas. Os pesquisadores optaram por promover uma ligação covalente (ligação química baseada no compartilhamento de pares de elétrons entre os átomos envolvidos), a qual traz mais estabilidade e sensibilidade ao sistema. De fato, essa metodologia posiciona o antígeno em uma orientação na qual os sítios de interação com o anticorpo ficam disponíveis – interação que é ainda mais incentivada pelo ambiente químico favorável propiciado pelo polipirrol. “Todas essas características permitem que o biossensor apresente respostas satisfatórias de sensibilidade e seletividade”, afirma Jaqueline Volpe, também primeira autora do artigo, que participou da pesquisa durante seu mestrado, sob orientação do professor Dênio Souto, ambos do Laboratório de Espectrometria, Sensores e Biossensores.
Além da participação de docentes, pós-docs e alunos do Programa de Pós-Graduação em Química da UFPR, foi fundamental na pesquisa a colaboração de pesquisadores e médicos da UFPR e do Hospital Erasto Gaertner, de Curitiba. Esses colaboradores forneceram rapidamente a proteína N do SARS-CoV-2. Eles também conseguiram amostras de sangue de pessoas com e sem Covid-19 que tinham feito exames de PCR (a metodologia de diagnóstico considerada mais segura), as quais foram usadas para testar o desempenho do biossensor.
“Levando em consideração que o trabalho foi realizado durante o auge da pandemia, os desafios foram inúmeros, desde o acesso aos laboratórios, até a exploração de um tema de alta relevância, o qual gera maior pressão no desenvolvimento da pesquisa”, comenta Larissa Bach Toledo, coautora do artigo.

De acordo com as autoras, o biossensor desenvolvido é promissor para uso em larga escala no diagnóstico de infectados e no monitoramento de anticorpos devido ao método simples e escalável de fabricação dos eletrodos (síntese em batelada), somado ao baixo custo da matriz de aço inox e à alta sensibilidade do sistema. Contudo, para produzi-lo comercialmente, seria necessário fazer muitos mais testes de validação com amostras reais, bem como transformar o sistema em um dispositivo simples, miniaturizado e fácil de usar, no qual os resultados da detecção possam ser interpretados por qualquer pessoa.
Esta pesquisa contou com financiamento da fundação alemã Alexander von Humboldt, da UFPR por meio do edital Proind 2020 e das agências brasileiras CAPES e CNPq. O trabalho também recebeu apoio do INCTBio, do qual o professor Marcio Vidotti faz parte.

Referência do artigo científico: Development of polypyrrole (nano)structures decorated with gold nanoparticles toward immunosensing for COVID-19 serological diagnosis. B. M. Hryniewicz, J. Volpe, L. Bach-Toledo, K. C. Kurpel, A. E. Deller, A. L. Soares, J. M. Nardin, L. F. Marchesi, F. F. Simas, C. C. Oliveira, L. Huergo, D. E. P. Souto, M. Vidotti. Materials Today Chemistry. Volume 24, June 2022, 100817. https://doi.org/10.1016/j.
Contato dos autores correspondentes: denio.souto@ufpr.br e mvidotti@ufpr.br.
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Conhecido como água oxigenada na sua versão diluída e farmacêutica, o peróxido de hidrogênio (H2O2) é um composto amplamente utilizado, sobretudo como alvejante ou antisséptico na produção de papel e celulose, em produtos de limpeza e beleza e no tratamento de águas residuais, entre outras aplicações. Com um mercado grande e crescente, a produção de peróxido de hidrogênio tem o desafio de se tornar mais sustentável, usando métodos que sejam amigos do meio ambiente e que permitam que o composto seja obtido no mesmo local em que será usado, diminuindo os riscos, custos e impacto ambiental do transporte. Nesse cenário, produzir peróxido de hidrogênio em geradores eletroquímicos usando basicamente água, ar e eletricidade é um caminho promissor, que, inclusive, algumas empresas já estão trilhando. Todavia, o sucesso desse processo depende, em grande parte, de contar com catalisadores eficientes, estáveis e de baixo custo.
Em artigo científico recentemente publicado, uma equipe formada por pesquisadores da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS), Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD), e Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) fez uma contribuição nesse sentido. Eles desenvolveram catalisadores baseados em nanofitas de grafeno e nanopartículas metálicas e estudaram em detalhe o seu desempenho na produção eletroquímica de peróxido de hidrogênio. Além de mostrar que esses catalisadores melhoram significativamente a eficiência da reação, equiparando-se aos melhores catalisadores convencionais em alguns aspectos, o estudo avançou a compreensão de fenômenos fundamentais que abrem possibilidades para continuar otimizando a obtenção eletrocatalítica de peróxido de hidrogênio.

“Propusemos a síntese de catalisadores com baixo teor de metal nobre (≤6,4 % em massa), com alta eficiência catalítica e alta durabilidade para a produção eletroquímica de H2O2”, diz o professor Gilberto Maia (UFMS), coautor do artigo. De fato, metais nobres, como o ouro e o paládio, são conhecidos pelas suas propriedades catalíticas, mas têm a desvantagem do custo. “Nossos catalisadores foram construídos a partir de óxidos de molibdênio, ouro e paládio, que juntos formam nanopartículas ancoradas na superfície de nanofitas de grafeno”, descreve Maia.
A equipe testou a eficiência dos catalisadores com relação à geração de peróxido de hidrogênio por meio da reação de redução de oxigênio via dois elétrons (RRO-2e-), na qual uma molécula de oxigênio, dois cátions hidrogênio e dois elétrons formam uma molécula desse composto. Principalmente, os pesquisadores testaram, com resultados muito positivos, a atividade do catalisador (a sua capacidade de aumentar a velocidade da reação), a sua seletividade (a sua habilidade de direcionar a reação para um determinado produto, neste caso, o peróxido de hidrogênio) e a sua estabilidade (a capacidade de manter as suas propriedades ao longo do tempo).
“Os resultados obtidos mostraram que a atividade catalítica melhorada para RRO-2e- foi promovida por uma combinação de fatores incluindo geometria, teor de paládio, distância entre partículas e efeitos de bloqueio de sítios ativos, enquanto que a estabilidade eletroquímica dos catalisadores pode ter sido aprimorada pela presença de molibdênio”, diz o professor Maia.
O trabalho se desenvolveu dentro da colaboração entre pesquisadores do Instituto de Química da UFMS e do Grupo de Pesquisa de Eletroquímica Ambiental do IQSC-USP, os quais vêm trabalhando em conjunto na síntese, caracterização e aplicação de materiais eletrocatalíticos. De acordo com os autores, a ideia principal e as primeiras combinações de síntese envolvendo os metais utilizados surgiram como desdobramento da tese de doutorado de Guilherme Fortunato, que teve orientação do professor Gilberto Maia e foi defendida pela UFMS em 2019. O trabalho teve continuidade e finalização dentro do pós-doutorado de Fortunato, realizado no IQSC sob supervisão do professor Marcos Lanza.
A pesquisa contou com financiamento das agências brasileiras federais e estaduais Capes, CNPq, FAPESP e FUNDECT-MS.

Referência do artigo científico: Using Palladium and Gold Palladium Nanoparticles Decorated with Molybdenum Oxide for Versatile Hydrogen Peroxide Electroproduction on Graphene Nanoribbons. Guilherme V. Fortunato, Leticia S. Bezerra, Eduardo S. F. Cardoso, Matheus S. Kronka, Alexsandro J. Santos, Anderson S. Greco, Jorge L. R. Júnior, Marcos R. V. Lanza, and Gilberto Maia. ACS Applied Materials & Interfaces 2022 14 (5), 6777-6793. DOI: 10.1021/acsami.1c22362.
Contato dos autores correspondentes: g.fortunato@usp.br e gilberto.maia@ufms.br.