Criados pela USP, sensores biodegradáveis acoplados em plantas detectam pesticidas em três minutos

Cientistas da Universidade de São Paulo (USP) criaram sensores biodegradáveis para monitorar a saúde de plantas em tempo real. Feitos de uma tinta de carbono, os dispositivos miniaturizados são impressos por meio de serigrafia em bioplásticos transparentes e flexíveis. Dessa forma, podem ser fixados diretamente em diversos órgãos vegetais – incluindo caules, cascas e folhas –, possibilitando medir temperatura, umidade, desidratação, biomarcadores, doenças, níveis de nutrientes e até a presença de pesticidas nas plantas.

“Eles permitem detecção não destrutiva, rápida, in loco e descentralizada, fornecendo bioinformação em tempo real sobre o estado de saúde da planta e fatores ambientais”, conta à Agência FAPESP Paulo Augusto Raymundo-Pereira, professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP).

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O trabalho foi publicado em fevereiro na revista Biosensors and Bioelectronics: X. Como destacam os autores no artigo, a engenharia de sensores vestíveis foi eleita pelo Fórum Econômico Mundial entre as dez principais tecnologias emergentes de 2023, em função do seu potencial para melhorar a saúde das plantas e aumentar a produtividade agrícola. Entretanto, a maioria dos dispositivos hoje é fabricada com polímeros plásticos de origem não renovável (derivados do petróleo) e apresenta baixa aderência em superfícies irregulares, onduladas e curvas.

“Já o nosso sensor é feito de acetato de celulose, material flexível de origem vegetal que pode ser produzido a partir de diversos resíduos agrícolas. A celulose é o polissacarídeo natural mais abundante na Terra. Apresenta biocompatibilidade excepcional, alta estabilidade térmica e flexibilidade. É atóxico, econômico, acessível, biodegradável, leve e fácil de manusear”, resume Raymundo-Pereira.

Cada dispositivo de acetato de celulose tem duas unidades sensoriais que empregam técnicas de análise diferentes para detectar três classes de pesticidas numa mesma análise (diquat, carbendazim e difenilamina).

Segundo Raymundo-Pereira, cada dispositivo custa US$ 0,077. “Os sensores são de uso único. Por isso, têm de ser baratos e biodegradáveis. Considerando o funcionamento dos dois sensores em sequência, na mesma amostra, o dispositivo leva três minutos e vinte e oito segundos para fazer todas as aferições.”

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A identificação é feita na superfície da planta, mas em meio aquoso (uma gota d’água), pois as medidas são realizadas na interface do eletrodo com esse meio. “Precisamos dessa solução aquosa para haver condutividade. No caso dos sensores vestíveis, a gotinha de água é colocada nos lugares mais fáceis de realizar a medida. No meio das folhas, no pocinho que se forma no pedúnculo do tomate ou da maçã, nos sulcos laterais do pimentão, onde também se consegue acumular água. Depois, é só colocar os sensores, posicionar em cima da gota e medir.”

A plataforma que contém o sensor duplo vestível é integrada a um potenciostato portátil sem fio (aparelho que controla a voltagem e mede a corrente elétrica para detectar e quantificar as substâncias químicas), possibilitando uma avaliação rápida dos pesticidas e exibindo a análise em tempo real em um celular por meio de comunicação sem fio (bluetooth). A equipe já havia criado, em 2022, uma luva com sensores nas pontas dos dedos, para os mesmos fins.

“O sensor vestível tem a vantagem de ser aplicado diretamente na amostra, pois o acetato consegue adquirir o formato da superfície em que é posicionado, ao passo que a luva tem de ser manipulada. Além do mais, a luva é feita de um material que não é biodegradável, enquanto o sensor vestível é totalmente biodegradável e reaproveitável para a confecção de novos sensores”, compara o cientista. Segundo ele, é possível queimar em condições específicas os sensores já utilizados e, assim, obter a tinta de carbono para produzir novos dispositivos.

A Fapesp apoiou o trabalho por meio de Bolsa de Pós-Doutorado concedida a Nathalia Oeazu Gomes, Auxílio à Pesquisa Regular concedido a Sergio Antônio Spínola Machado e Fixação de Novos Doutores a Raymundo-Pereira.

Outros usos

Nas plantas, o teste dos sensores vestíveis simulou uma situação real de uso. Primeiro, uma solução do pesticida foi borrifada na casca de maçãs e pimentões em uma concentração de 1.000 micrômetros, e os alimentos foram deixados para secar por cinco horas. Em seguida, as análises foram feitas diretamente na superfície dos produtos (in loco): o sensor foi fixado na casca e, para permitir a leitura elétrica e química, adicionou-se uma gota de 500 microlitros (a milionésima parte de um litro) de uma solução de tampão fosfato – um líquido que estabiliza o ambiente para o sensor funcionar.

A tecnologia dos sensores vestíveis se presta a uma infinidade de aplicações, como ressalta Raymundo-Pereira. “É possível detectar a presença de pesticidas na saliva das pessoas, ou mesmo na água da torneira. Fizemos os testes. Amostras de saliva humana e água da torneira foram adicionadas de pesticidas e analisadas com o sensor para prever os níveis de resíduos. Também é possível usar para mensurar componentes presentes na urina e no suor”, diz o pesquisador.

A adaptação da tecnologia para uso agrícola foi uma ideia de Raymundo-Pereira após um estágio no Centro de Sensores Vestíveis da Universidade da Califórnia, em San Diego (Estados Unidos), com o professor Joseph Wang. “Já que boa parte do PIB [Produto Interno Bruto] brasileiro se concentra no setor agrícola, eu pensei: por que não adaptar a tecnologia? Lá fora, o uso é direcionado para humanos. Aplica-se na pele para saber, por exemplo, o que há no suor das pessoas. É possível detectar ácido lático, ácido úrico, glicose, cortisol, íons sódio, íons potássio, íons cloreto, hormônios e medicamentos. Mas esses sensores usados em humanos são feitos de plástico de origem petroquímica. Os primeiros biodegradáveis, de origem natural, são os nossos, que também podem ser adaptados para uso em humanos.”

Os pedidos de patente, tanto da luva quanto do sensor vestível, já estão no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).

A equipe multidisciplinar que desenvolveu o dispositivo é composta também pelas pesquisadoras Samiris Teixeira, Nilda de F.F. Soares e Taíla de Oliveira, da Universidade Federal de Viçosa.