Uso de diferentes tióis no desenvolvimento de nanobiossensores de cantilever para detecção de atrazina em água

Abstract

A atrazina (2-cloro-4-(etilamino) -6-(isopropilamino)-s-triazina), é um herbicida representada por um anel triazínico substituído com cloro, etilamina e isopropilamina, o que a torna recalcitrante para a degradação biológica no ambiente. Por ser amplamente na agricultura, principalmente no controle de plantas daninhas em lavouras de milho que acaba permanecendo por muito tempo no meio ambiente e torna-se um dos fatores responsáveis pela contaminação do solo, do ar e das águas. Novos métodos de detecção mais econômicos, com menor tempo de análise e eficazes tem sido estudado para melhorar a detecção deste analitos e minimizar este problema. A área de nanotecnologia vem apresentado grandes avanços, como o desenvolvimento de nanobiossensores de cantilever através de camadas sensoras, para detecção da presença de herbicidas em água. Baseado nestes fatos, este estudo tem como objetivo o desenvolvimento de nanobiossensores de cantileveres funcionalizados com enzima tirosinase comercial e diferentes tióis para detecção de atrazina em água. A funcionalização dos mesmos foi realizada utilizando a técnica de camadas automontadas (SAM) sobre a superfície de silício contendo ouro, ácido 16- mercaptohexadecanóico (16-AMHD) e ácido 11-mercaptoundecanóico (11-MUA), 1- etil-3-(3-dimetilaminopropil)-carbodiimida (EDC)/N-hidroxi-succinimida (NHS) e enzima tirosinase comercial. A avaliação da estabilidade da enzima mostrou a adequação da funcionalização de ambos os nanobiossensores de cantilevers, principalmente quando utilizado o ácido 11-MUA. Por meio da composição química, morfologia, espessura, rugosidade, topografia das superfícies foi possível confirmar a funcionalização dos nanobiosesnores de cantilevers funcionalizados pela técnica de SAM, sendo possível verificar que ocorreu a deposição da camada sensora. Os nanobiossensores de cantileveres foram capazes de detectar diferentes concentrações de atrazina em água, obtendo alta sensitividade, limites de detecção e de quantificação na ordem de ppb, além de serem 100% reversíveis, porém sua estabilidade foi afetada pelo armazenamento. Ambos nanobiossensores de cantileveres demonstraram boa resposta, mas quando utilizado o ácido (11-MUA) o mesmo se mostrou mais eficiente por possuir maior sensitividade, menor limite de detecção, maior estabilidade até aproximadamente 20 dias quando comparado com o nanobiossensor usando o ácido 16-AMHD tanto para água ultrapura quando para amostra real de pesticida (poço artesiano) analisada. Quando avaliada a seletividade de ambos nanobiossesnores pode-se observar que tanto o interferente teflubenzurom quantos o sulfentrazono não causaram influência na resposta do nanobiossensores pois, o seu comportamento foi semelhante ao branco (água ultrapura). Porém o nanobiossensor de cantilever utilizando ácido 11-MUA apresentou maior diferença de deflexão entre branco e a atrazina, demostrando sua maior eficaz para o pesticida atrazina. Com os resultados obtidos é possível observar a eficaz do método SAM utilizando um tiol de cadeia alquílica menor (ácido 11-MUA) quando comparado ao ácido 16- AMHD para aplicação nos nanobiossensores de cantilever sendo então, uma boa alternativa aos métodos convencionais de detecção de atrazina em amostras reais. Sendo assim, os dispositivos desenvolvidos demonstram ter grande potencialidade de aplicação para detecção de atrazina em águas.

Atrazine (2-chloro-4-(ethylamino)-6-(isopropylamino)-s-triazine), is a herbicide represented by a triazine ring substituted with chlorine, ethylamine and isopropylamine, which makes it recalcitrant to biological degradation in the environment. Because it is widely used in agriculture, especially to control weeds in corn fields, it ends up remaining for a long time in the environment and becomes one of the factors responsible for the contamination of the soil, air, and water. New methods of detection that are more economical, less time consuming, and effective have been studied to improve the detection of these analytes and minimize this problem. The nanotechnology area has presented great advances, such as the development of cantilevered nanobiosensors through sensor layers, to detect the presence of herbicides in water. Based on these facts, this study aims to develop cantilever nanobiosensors functionalized with commercial tyrosinase enzyme and different thiols for detection of atrazine in water. Their functionalization was performed using the self-assembled layer technique (SAM) on silicon surface containing gold, 16-mercaptohexadecanoic acid (16-AMHD) and 11-mercaptoundecanoic acid (11-MUA), 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)- carbodiimide (EDC)/N-hydroxy-succinimide (NHS) and commercial tyrosinase enzyme. Evaluation of enzyme stability showed the suitability of functionalization of both cantilever nanobiosensors, especially when 11-MUA acid was used. Through the chemical composition, morphology, thickness, roughness, topography of the surfaces it was possible to confirm the functionalization of the cantilevers nanobiosensors functionalized by the SAM technique, being possible to verify that the deposition of the sensing layer occurred. The cantilever nanobiosensors were able to detect different concentrations of atrazine in water, obtaining high sensitivity, detection and quantification limits in the order of ppb, besides being 100% reversible, but their stability was affected by storage. Both cantilever biosensors showed good response, but when the acid (11-MUA) was used it was more efficient because it had higher sensitivity, lower detection limit, higher stability up to approximately 20 days when compared to the biosensor using the 16- AMHD acid for both ultrapure water and real sample of pesticide (artesian well) analyzed. When evaluating the selectivity of both nanobiosensors it can be observed that both teflubenzuron and sulfentrazone interferents did not influence the response of the nanobiosensors because their behavior was similar to the blank (ultrapure water). However, the cantilever nanobiosensor using 11-MUA acid showed a greater difference in deflection between white and atrazine, demonstrating its greater effectiveness for the pesticide atrazine. With the results obtained it is possible to observe the effectiveness of the SAM method using a smaller alkyl chain thiol (11-MUA acid) when compared to the 16- AMHD acid for application in cantilever nanobiosensors being then, a good alternative to conventional methods for detection of atrazine in real samples. Thus, the developed devices demonstrate a great potential application for atrazine detection in water.