A Era dos Biossensores Eletrônicos

Biossensor produzido pela empresa japonesa Seta como acessório do ‘video game’ Nintendo 64 para o jogo Tetris 64. O dispositivo mede a frequência cardíaca do usuário e, com base nesses dados, aumenta ou diminui a velocidade do jogo. 

O termo popularmente conhecido como eletrônica – e seus derivativos com os prefixos ‘micro’ e ‘nano’ – abrangia originalmente um conjunto de dispositivos à base de silício ou, mais geralmente, à base de semicondutores inorgânicos.

Mas o privilégio desses materiais começou a ser ameaçado em meados dos anos 1970, quando o químico estadunidense Alan MacDiarmid (1927-2007), o químico japonês Kideki Shirakawa (1936-), o físico estadunidense Alan J. Heeger (1936-) e seus colaboradores descobriram os polímeros condutores. Pela façanha, os três ganharam o Prêmio Nobel de Química de 2000 e abriram as portas para o que é hoje conhecido como eletrônica molecular ou orgânica.

Um dos primeiros biossensores eletrônicos foi inventado pelo bioquímico estadunidense Leland C. Clark Jr. (1918-2005) e pelo microbiologista estadunidense Champ Lyons (1907-1965) no início dos anos 1960, para medir níveis de glicose durante uma cirurgia cardiovascular. Sua simplicidade facilitava a fabricação de dispositivos compactos, mas exigia altas voltagens para apresentar bons resultados.

Como sempre ocorre, tais limitações promoveram uma corrida em busca de sistemas mais eficazes, desembocando, no início dos anos 1980, nos atuais biossensores à base de transistores orgânicos. Esses biossensores de última geração são dispositivos que podem ser miniaturizados em escala nanométrica e permitem a amplificação e o controle do sinal de entrada resultante da reação bioquímica entre o sensor biológico e o material que se deseja monitorar.

Parte importante da arte e da ciência para a obtenção de bons dispositivos reside na boa escolha dos materiais e na forma como são montados. Foi assim no caso dos transistores inorgânicos e também está sendo no de seus sucedâneos orgânicos – os transistores eletroquímicos orgânicos (OECT, na sigla em inglês), os transistores orgânicos de efeito de campo (OFET) e os transistores orgânicos de efeito de campo com porta eletrolítica (EGOFET).O caminho rumo aos transistores orgânicos é, de certo modo, muito similar àquele seguido pelos pesquisadores da microeletrônica, que, na segunda metade do século passado, desenvolveram o MOSFET, o mais famoso transistor à base de silício. Os dois dispositivos são muito parecidos. Ambos têm três contatos externos (fonte, dreno e porta), uma camada de material semicondutor e outra de material isolante.

Assim como o silício nos transistores inorgânicos, o polímero polietilenodioxitiofeno dopado com poliestireno sulfonado, conhecido como PEDOT:PSS, é atualmente o semicondutor da moda na confecção de transistores orgânicos.

Esse polímero entrou na história por volta do ano 2000, como elemento ativo em diodos emissores de luz orgânicos (OLED), já comercializados pela empresa japonesa Pioneer em 1997 com outros tipos de polímeros. Em 2004, ele passou a ser testado em células solares orgânicas flexíveis.

Embora tais aplicações sejam de grande importância científica, tecnológica e comercial, a entrada triunfal do PEDOT:PSS no universo da eletrônica orgânica se deu mesmo com a sua utilização na confecção de transistores de filmes finos inteiramente orgânicos.

Esses transistores podem ter as mesmas funções dos transistores de silício, mas atendem a uma grande demanda por dispositivos baratos, que podem ser produzidos tanto em escala nanométrica, quanto montados em grandes painéis. Além disso, são processados em temperaturas inferiores àquelas usadas na produção de chips de silício.

O conhecedor da literatura sobre eletrônica molecular sabe que esse relato é apenas uma pequena parte da história.  Mesmo em relação aos biossensores, ainda há muito o que falar. Não mencionamos, por exemplo, os diferentes tipos de reações bioquímicas detectadas pelos diversos biossensores, como a detecção de vírus por meio de análise de DNA, nem as alternativas ao PEDOT:PSS.

Nesse sentido, não podemos esquecer os esforços para a obtenção de dispositivos úteis para o que hoje se denomina computação molecular. O objetivo é desenvolver arranjos artificiais que operem de modo inspirado no funcionamento do DNA. Também não podemos deixar de falar da enorme área de pesquisa com outros tipos de materiais orgânicos, como os nanotubos de carbono e o grafeno, que vêm ultimamente sendo testados na confecção de nanotransistores.Além disso, a eletrônica molecular abrange muito mais do que esses dispositivos. Na verdade, ela representa uma mudança de paradigma que nos permitiu entrar genuinamente no mundo da nanociência.

Fonte: adaptado de matéria da Ciência Hoje On-Line