Modelagem matemática da corrente faradaica em biossensores enzimáticos eletroquímicos

Abstract

Biossensores enzimáticos são dispositivos analíticos essenciais na biotecnologia e eletroquímica, reconhecidos por sua alta especificidade, sensibilidade, e por permitirem a quantificação de analitos de forma rápida e com baixo custo em diversas aplicações. Contudo, a previsão quantitativa precisa de sua resposta analítica ainda representa um desafio. Este estudo teve como objetivo desenvolver um modelo matemático baseado em equações diferenciais parciais (EDPs) para descrever a difusão de substrato e produto na camada enzimática, permitindo o cálculo da corrente elétrica gerada. Para isso, foi empregado o Método das Linhas no software MATLAB, transformando o sistema de EDPs de reação-difusão em Equações Diferenciais Ordinárias, que foram resolvidas numericamente, utilizando a função ode15s. O modelo incorporou a lei da difusão de Fick, a cinética de Michaelis-Menten e a Lei de Faraday para simular a dinâmica do biossensor, variando parâmetros como a velocidade máxima de reação (V_max), coeficiente de difusão do substrato (D_s) e a espessura da camada enzimática (d). A análise de sensibilidade demonstrou que d e a concentração inicial de substrato (S₀) são fatores fundamentais para a otimização, com um pico de corrente de 104,45 nA/mm² em t=50s para d=40 μm. A modelagem proposta é um instrumento de análise útil para a predição do desempenho eletroquímico de biossensores enzimáticos, contribuindo significativamente para o aprimoramento do projeto desses dispositivos aplicados em contextos clínicos, ambientais e industriais.