Atividade Prática Supervisionada - Eletrônica Analógica - Engenharia Elétrica - Semicondutores PDF

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Análise de um artigo técnico sobre semicondutores: Biosensores para aplicações potenciais. Exemplo de utilização de semicondutores, aplicação como geração e detecção de sinais....

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APS Título: Disciplina: Pontuação: Alunos / R.A.: Turma: Data

Atividade Prática Supervisionada Eletrônica Analógica Computado na Avaliação Continuada Henrique Matheus Alves Pereira / 8486961 Natã Rodrigo Santos Pereira / 1784190 127204A16 01/11/2019

ATIVIDADE 1 Pesquisa na literatura internacional de um artigo relacionado ao avanço tecnológico dos dispositivos semicondutores. Apresentar um texto com suas conclusões sobre a importância do artigo analisado do ponto de vista econômico e tecnológico.

ATIVIDADE 2 Pesquisa: Apresentação de pelo menos 5 aplicações práticas dos diversos circuitos estudados na disciplina.

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APS

Artigo: Tradução para português AVANÇOS RECENTES NA TECNOLOGIA BIOSENSOR PARA APLICAÇÕES POTENCIAIS - UMA VISÃO GERAL S. Vigneshvar1, C. C. Sudhakumari2,3, Balasubramanian Senthilkumaran2,3 * e Hridayesh Prakash3 * 1 VIT University Chennai Campus, Chennai, Índia, 2 Departamento de Biologia Animal, Universidade de Hyderabad, Hyderabad, Índia, 3 Escola de Ciências da Vida, Universidade de Hyderabad, Hyderabad, Índia

Edited by: Didier Laurent Buisson, CNRS, France Reviewed by: Michael Ming-Yuan Wei, University of Texas at Arlington, USA Leonardo Teixeira Dall’Agnol, Universidade Federal do Maranhão, Brazil *Correspondence: Balasubramanian Senthilkumaran [email protected], [email protected]; Hridayesh Prakash [email protected] Specialty section: This article was submitted to Process and Industrial Biotechnology, a section of the journal Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Received: 09 November 2015 Accepted: 27 January 2016 Published: 16 February 2016 Citation: Vigneshvar S, Sudhakumari CC, Senthilkumaran B and Prakash H (2016) Recent Advances in Biosensor Technology for Potential Applications – An Overview. Front. Bioeng. Biotechnol. 4:11. doi: 10.3389/fbioe.2016.00011

A utilização imperativa dos biossensores adquiriu uma importância primordial no campo da descoberta de medicamentos, biomedicina, padrões de segurança alimentar, defesa, segurança e monitoramento ambiental. Isso levou à invenção de ferramentas analíticas precisas e poderosas usando o elemento sensor biológico como biossensor. Glicômetros que utilizam a estratégia de detecção eletroquímica de oxigênio ou peróxido de hidrogênio usando eletrodo de glicose oxidase imobilizado semearam a descoberta de biossensores. Avanços recentes em técnicas e instrumentação biológicas envolvendo etiqueta de fluorescência para nanomateriais aumentaram o limite sensível dos biossensores. O uso de aptâmeros ou nucleotídeos, affibodies, arranjos peptídicos e polímeros impressos em moléculas fornece ferramentas para desenvolver biossensores inovadores em relação aos métodos clássicos. Abordagens integradas forneceram uma melhor perspectiva para o desenvolvimento de biossensores específicos e sensíveis com alto potencial regenerativo. Vários biossensores que variam de nanomateriais, polímeros a micróbios têm aplicações potenciais mais amplas. É muito importante integrar abordagens multifacetadas para projetar biossensores com potencial para uso diverso. À luz disso, esta revisão fornece uma visão geral dos diferentes tipos de biossensores utilizados, variando de eletroquímicos, marcados com fluorescência, nanomateriais, sílica ou quartzo e micróbios para várias aplicações biomédicas e ambientais com perspectivas futuras da tecnologia de biossensores. Palavras-chave: biossensores eletroquímicos, nanomateriais, tag de fluorescência, bioeletrônica, polímero, micróbios, doenças

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APS INTRODUÇÃO O termo "biossensor" refere-se a um dispositivo analítico poderoso e inovador que envolve o elemento de detecção biológica com uma ampla gama de aplicações, como descoberta de drogas, diagnóstico, biomedicina, segurança e processamento de alimentos, monitoramento ambiental, defesa e segurança. O primeiro biossensor inventado por Clark e Lyons (1962) para medir glicose em amostras biológicas utilizou a estratégia de detecção eletroquímica de oxigênio ou peróxido de hidrogênio (Fracchiolla et al., 2013; Turner, 2013) usando eletrodo de glicose oxidase imobilizado. Desde então, houve um progresso incrível (Turner, 2013), tanto em tecnologia quanto em aplicações de biossensores com abordagens inovadoras que envolvem eletroquímica, nanotecnologia e bioeletrônica. Considerando os avanços fenomenais no campo dos biossensores, esta revisão tem como objetivo introduzir várias estratégias técnicas, adotadas para o desenvolvimento de biossensores, a fim de fornecer conhecimentos fundamentais e apresentar o cenário científico atual da tecnologia de biossensores. Com ênfase nas ferramentas de pesquisa que demonstram como o desempenho dos biossensores evoluiu do eletroquímico clássico para o óptico / visual, polímeros, sílica, vidro e nanomateriais para melhorar o limite de detecção, sensibilidade e seletividade. Curiosamente, os micróbios e a bioluminescência (Du et al., 2007) também contribuíram amplamente para os biossensores baseados em etiquetas, enquanto os biossensores livres de etiquetas envolveram o uso de dispositivos e nanomateriais baseados em transistores ou capacitores. Os biossensores fornecem uma base para entender a melhoria tecnológica na instrumentação envolvendo sofisticadas máquinas de alto rendimento para biólogos quantitativos e dispositivos portáteis qualitativos ou semiquantitativos para não especialistas. Finalmente, são destacadas as tendências atuais da pesquisa, os desafios futuros e as limitações no campo. A presente revisão está dividida em várias subseções, descrevendo duas estratégias técnicas principais seguidas por vários tipos de dispositivos de biossensores, que variam de eletroquímico, óptico / visual, polímeros, sílica, vidro e nanomateriais. Esses dispositivos foram desenvolvidos para fins específicos e uma visão geral deles fornecerá aos leitores dados abrangentes sobre dispositivos de biossensores e suas aplicações.

ESTRATÉGIAS TÉCNICAS As estratégias técnicas (Turner, 2013) usadas nos biossensores são baseadas na detecção de etiquetas e sem etiquetas. A detecção baseada em etiqueta depende principalmente das propriedades específicas dos compostos da etiqueta para atingir a detecção. Esses tipos de biossensores são confiáveis, mas geralmente exigem a combinação de um elemento sensor específico fabricado com a proteína alvo imobilizada. Por outro lado, o método sem etiqueta (Citartan et al., 2013; Sang et al., 2015) permite detectar as moléculas alvo que não estão marcadas ou são difíceis de marcar. Abordagens interdisciplinares recentes da biotecnologia com engenharia de bioengenharia, elétrica e eletrônica abriram caminho para o desenvolvimento de biossensores sem rótulos para vários métodos de detecção com ampla gama de aplicações nos campos da medicina e da ciência ambiental.

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APS BIOSENSORES ELETROQUÍMICOS A descoberta clássica de glicosímetro usando biossensores à base de glicose oxidase (Clark e Lyons, 1962) é a primeira na linha de descoberta de biossensores eletroquímicos. Os biossensores de glicose são amplamente populares entre hospitais ou clínicas de diagnóstico, pois são essenciais para pacientes diabéticos para monitoramento periódico da glicose no sangue. No entanto, os biossensores de glicose geralmente apresentam desvantagens devido à atividade enzimática instável ou à falta de homogeneidade (Harris et al., 2013), para as quais é essencial uma calibração adicional. De fato, essas desvantagens potenciais levam à invenção de uma série de biomoléculas (Turner, 2013; Wang et al., 2013) com propriedades eletroquímicas diferenciais, que abriram caminho para descobrir biossensores de glicose mais viáveis. Nos últimos tempos, os biossensores eletroquímicos (Wang et al., 2014) são tipicamente preparados modificando a superfície dos eletrodos de metal e carbono usando biomateriais, como enzima, anticorpo ou DNA. O sinal de saída do biossensor é geralmente gerado mediante ligação específica ou reações catalíticas de biomateriais (Wang et al., 2014) na superfície do eletrodo. A necessidade da descoberta de sensores eletroquímicos tornou-se indispensável para o diagnóstico clínico de doenças (Gruhl et al., 2013), nas quais a detecção ou o monitoramento precoce parece essencial. Nesse contexto, o desenvolvimento de biossensores não enzimáticos é frequentemente considerado usando materiais sintéticos no lugar de proteínas. Curiosamente, vários tipos de biomoléculas possuem estabilidade e seletividade diferenciais dos eletrodos, o que acaba contribuindo para o desenvolvimento de novos tipos de biossensores eletroquímicos para diversos fins. Vários tipos de biossensores eletroquímicos foram desenvolvidos com base em seu uso. Como explicado acima, os biossensores de glicose (Harris et al., 2013) sofreram rápida evolução a partir do momento do desenvolvimento. Nesta perspectiva, Wang et al. (2014) revisaram o progresso dos ácidos borônicos modificados com ácido ferrocenoborônico (FcBA) e ferroceno (Fc) para o desenvolvimento do biossensor devido à presença do local de ligação (ou seja, uma fração de ácido borônico) e uma parte eletroquimicamente ativa (ou seja, um resíduo Fc ). A FcBA e seus derivados possuem propriedades únicas de ligação a resíduos de 1,2- ou 1,3-diol de açúcares, levando à formação de ligações éster de boronato cíclico. As propriedades redox do aducto de açúcar FcBA diferem do FcBA livre, formando uma base para a detecção eletroquímica. Além disso, os ácidos borônicos têm afinidade pela ligação aos íons Fe-, o que oferece uma vantagem adicional para o desenvolvimento de eletrodos seletivos de íons não convencionais usando o íon F. As cadeias de hidrocarbonetos presentes na cadeia polipeptídica de HbA1c podem ser medidas usando detecção eletroquímica baseada em FcBA. A principal limitação do uso desse método é a exigência de imobilização dos derivados da FcBA (Wang et al., 2014) na superfície dos eletrodos, à medida que esses derivados são adicionados em soluções de amostra como reagentes. O uso de polímeros e / ou eletrodos de prata com modificação adequada de derivados de FcBA pode levar à melhoria do sensor eletroquímico de FcBA para campos biomédicos, incluindo diagnóstico de diabetes, em que a medição de glicose será suplementar. O biossensor eletroquímico para avaliar os níveis de antioxidantes e espécies reativas de oxigênio em sistemas fisiológicos (Mello et al., 2013) é outra invenção moderna. A principal aplicação nessa linha é a detecção de ácido úrico como produto final primário do metabolismo da purina no fluido corporal (Erden e Kilic, 2013), que fornecem ferramenta de diagnóstico para várias anormalidades ou doenças clínicas. No entanto, é essencial desenvolver um método econômico e sensível. A abordagem eletroquímica para a medição da oxidação do ácido úrico da mesma forma para a quantificação da glicose parece ideal. No entanto, a semelhança do ácido úrico em termos de oxidação com o ácido ascórbico representa um grande obstáculo experimental para o desenvolvimento de um biossensor eletroquímico altamente sensível. Para superar isso, os cientistas desenvolveram biossensor amperométrico baseado em detecção (Erden e Kilic, 2013), que possui a capacidade de medir os potenciais de redução e oxidação. Considerando o custo e a reprodutibilidade desse procedimento, é importante imobilizar ou imprimir a enzima em Escola de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da Informação - EAETI FMU – Faculdades Metropolitanas Unidas | Laureate International Universities® http://www.fmu.br | São Paulo Prof. Maria Rosângela O. M. R. Souza

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APS eletrodos ou em eletrodos baseados em nanomateriais, ideais para o desenvolvimento de biosensores de ácido úrico descartáveis, seletivos, econômicos e sensíveis para análise de rotina . Nesse sentido, recentes avanços na bioprinting 3D (Turner, 2013) com o objetivo de criar biosensores com células vivas encapsuladas em microambientes 3D. Na mesma linha, foi desenvolvido um novo biossensor sem fio para proteção bucal para detectar o nível de ácido úrico salivar em tempo real e de forma contínua (Kim et al., 2015), e a tecnologia pode ser estendida a ferramentas de monitoramento vestíveis para saúde e saúde diversas. aplicações de fitness. Os biossensores eletroquímicos têm sido utilizados com sucesso em medições hormonais (Bahadir e Sezginturk, 2015), mas sua perspectiva precisa ser revisada em detalhes. Outra área potencial de desenvolvimento de tecnologia em biossensores depende do direcionamento de ácidos nucleicos. É bem sabido que a expressão do miRNA celular é um biomarcador ideal para o diagnóstico do início da doença e o direcionamento desses melhora a eficácia da terapia gênica para desordens genéticas. Normalmente, os miRNAs são detectados por Northern Blotting, microarray e reação em cadeia da polimerase. A tecnologia moderna fornece biossensores eletroquímicos ideais para a detecção de miRNA com base na detecção sem rótulo envolvendo oxidação de guanina subsequente à formação híbrida envolvendo o miRNA (Hamidi-Asl et al., 2013) e sua sonda de captura de substituição de inosina. Todas estas invenções são devidas a abordagens modernas de biofabrificação para promover a tecnologia de biossensores eletroquímicos em biomedicina. O monitoramento ambiental (Long et al., 2013; Verma e Bhardwaj, 2015) é outro aspecto importante em que a tecnologia de biossensores é necessária para a rápida identificação de resíduos de pesticidas para evitar riscos à saúde. Métodos tradicionais, como cromatografia líquida de alta eficiência, eletroforese capilar e espectrometria de massa, são eficazes para a análise de pesticidas no ambiente (Verma e Bhardwaj, 2015), no entanto, existem limitações, por exemplo, complexidade, procedimentos demorados, exigência de instrumentos de ponta e recursos operacionais. Portanto, os biossensores simples parecem ter enormes vantagens, mas é complicado desenvolver um unificado para analisar várias classes de pesticidas. Para esse fim, alguns biossensores baseados em enzimas (Pundir e Chauhan, 2012; Verma e Bhardwaj, 2015) foram desenvolvidos para entender o impacto fisiológico dos pesticidas no ambiente, na segurança alimentar e no controle de qualidade. Para esse fim, foram desenvolvidos biossensores à base de inibição da acetilcolinesterase (AChE) (Pundir e Chauhan, 2012). Ao longo da última década ou duas, para análise rápida, essa técnica foi aprimorada com os desenvolvimentos recentes nos biossensores baseados em inibição da AChE, incluindo métodos de imobilização e outras estratégias diferentes de fabricação. Da mesma forma, biosensores piezoelétricos foram desenvolvidos (Marrazza, 2014) para detectar o impacto pesticida de organofosforados e carbamatos no meio ambiente. Sabe-se que os pesticidas organoclorados afetam o ecossistema (Senthilkumaran, 2015), onde pesticidas como o endossulfão causam danos consideráveis. De fato, esses pesticidas alteram o sistema reprodutivo de peixes machos e fêmeas de maneira diferenciada (Senthilkumaran, 2015) e, considerando esses fatos, a invenção de biossensores para testar o ecossistema aquático terá maior significado em vista da biomagnificação. Para lidar com a demanda, o biossensor eletroquímico passou por uma revolução (Turner, 2013; Verma e Bhardwaj, 2015) com rápidos avanços na fabricação e no uso de nanomateriais ou quartzo ou sílica. É importante colocar ênfase especial na seleção de receptores para o desenvolvimento de biossensores, o uso de diferentes técnicas de transdução e estratégias rápidas de triagem para aplicações de biossensores em alimentos e segurança e monitoramento ambiental. Para permitir isso, a fabricação de biossensores parece ser importante e os avanços nesse campo foram explicados categoricamente abaixo.

BIOSENSORES ÓPTICOS / VISUAIS Como explicado acima, aplicações ambientais ou biomédicas exigem o desenvolvimento de biossensores simples, rápidos e ultra-sensíveis. Isso pode ser possível com imobilizadores (Guo, 2013; Ogi, 2013; Turner, 2013; Peng et al., Escola de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da Informação - EAETI FMU – Faculdades Metropolitanas Unidas | Laureate International Universities® http://www.fmu.br | São Paulo Prof. Maria Rosângela O. M. R. Souza

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APS 2014; Shen et al., 2014) variando de ouro, materiais à base de carbono, sílica, quartzo ou vidro . De fato, a incorporação de nanopartículas de ouro ou pontos quânticos com o uso de microfabricação fornece novas tecnologias (Schneider e Clark, 2013) para o desenvolvimento de biossensores enzimáticos do citocromo P450 altamente sensíveis e portáteis para uma determinada finalidade. Além disso, os sensores químicos de fibra óptica têm muita relevância em vários campos, como descoberta de drogas, biossensibilidade e biomedicina. Mais recentemente, os hidrogéis, usados como sensores baseados em DNA, são materiais emergentes para uso em imobilização com química de fibra óptica (Dias et al., 2014). Comparado a outros materiais, a imobilização em hidrogéis ocorre em 3D, o que permite alta capacidade de carga das moléculas sensores. Os hidrogéis (poliacrilamida) são polímeros reticulados hidrofílicos (Khimji et al., 2013) e podem ser transformados em diferentes formas de imobilização, variando de filmes finos a nanopartículas. Os hidrogéis são considerados como um substrato simples para imobilização do DNA com outras vantagens, como aprisionamento, liberação controlada, aprimoramento do analito e proteção do DNA. Essas características são exclusivas dos hidrogéis em comparação com outros materiais que oferecem imobilização biomolecular (Khimji et al., 2013). Além disso, a boa transparência óptica dos hidrogéis fornece uma estratégia conveniente para a detecção visual. Métodos detalhados para imobilizar biossensores de DNA (Khimji et al., 2013) em géis de poliacrilamida monolíticos e micropartículas de gel são frequentemente considerados como avanço técnico no campo da tecnologia de biossensores. A detecção de molécula única também foi desenvolvida usando a oxidação eletroquímica da hidrazina para detecção de DNA (Kwon e Bard, 2012).

BIOSENSORES DE SÍLICA, QUARTZO / CRISTAL E VIDRO Métodos recentes no desenvolvimento de biossensores resultaram no uso de sílica, quartzo ou materiais de cristal e vidro devido às suas propriedades únicas. Entre estes, os nanomateriais de silício têm maior potencial para avanços tecnológicos em aplicações de biossensores devido às suas propriedades de biocompatibilidade, abundância, eletrônica, óptica e mecânica. Além disso, os nanomateriais de silício não apresentam toxicidade, o que é um pré-requisito importante para aplicações biomédicas e biológicas. Os nanomateriais de silício (Peng et al., 2014; Shen et al., 2014) oferecem uma ampla gama de aplicações, desde bioimagens, biossensores e terapia para câncer. Além disso, os nanomateriais de silício fluorescente têm aplicações de longo prazo na bioimagem. Curiosamente, os nanofios de silício em combinação com nanopartículas de ouro fornecem híbridos que são usados (Shen et al., 2014) como novos nano-reagentes à base de silício para terapias eficazes contra o câncer. A ligação covalente de oligômeros de DNA modificados com tiol e...