A recognition-enhanced colorimetric sensor based on molecularly imprinted CoFe LDH nanozymes for detection of enrofloxacin in real water samples

A água é o sangue vital do nosso planeta, mas também é um lugar onde os produtos químicos que usamos todos os dias podem se acumular. Um desses produtos químicos é a enrofloxacina, um antibiótico potente usado para tratar infecções em animais de criação e na aquicultura. Embora ajude os animais a permanecerem saudáveis, o fármaco acaba frequentemente em rios e lagos através de esterco e águas residuais. Como se decompõe muito lentamente, pode acumular-se no ambiente, prejudicando potencialmente os ecossistemas e entrando na cadeia alimentar. Detetar estes vestígios é crucial para proteger a qualidade da água, mas os métodos atuais são frequentemente lentos, caros e requerem equipamentos laboratoriais complexos. Os cientistas procuram há muito tempo uma forma mais simples de detetar estes contaminantes rapidamente, idealmente utilizando um método que mude de cor para mostrar o que está presente, tal como um teste de papel tornasol, mas com a capacidade de distinguir um produto químico específico entre milhares de outros.

Para resolver isto, os investigadores recorreram a uma combinação inteligente de duas ideias científicas: nanozimas e impressão molecular. Uma nanozima é uma partícula minúscula, fabricada pelo homem, que atua como uma enzima natural, acelerando reações químicas. Neste caso, os cientistas utilizaram um material feito de cobalto e ferro que se comporta como um catalisador natural, tornando um líquido transparente azul quando misturado com peróxido de hidrogénio. No entanto, estas nanozimas são geralmente demasiado impetuosas na reação; não conseguem distinguir o poluente alvo de outros produtos químicos de aparência semelhante. É aqui que entra a impressão molecular. Imagine tirar o molde de um objeto específico, remover o objeto e deixar para trás uma cavidade que se ajusta perfeitamente a esse objeto. Ao criar estes orifícios microscópicos e específicos de forma num revestimento polimérico, os cientistas podem construir um sensor que agarra apenas a molécula alvo e ignora todo o resto.

Num estudo recente, uma equipa de investigadores da Universidade Politécnica de Henan e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangsu combinou estes conceitos para criar um novo sensor para a enrofloxacina. Começaram por cultivar pequenas partículas esféricas de hidróxido duplo camada de cobalto-ferro, um material conhecido pela sua capacidade de catalisar reações. Em seguida, revestiram estas partículas com uma fina camada de quitosana, um polímero natural derivado de crustáceos, e a reticularam com glutaraldeído. Crucialmente, adicionaram enrofloxacina à mistura durante este processo de revestimento. À medida que o polímero se formava em torno das partículas, as moléculas de enrofloxacina atuavam como um molde, criando bolsas ou cavidades específicas no revestimento que correspondiam ao tamanho e à forma do fármaco. Assim que o revestimento ficou sólido, os investigadores lavaram a enrofloxacina, deixando para trás buracos vazios e perfeitamente moldados na superfície da nanozima.

O mecanismo de deteção baseia-se num bloqueio físico. Na ausência de enrofloxacina, as cavidades vazias no sensor atuam como portas abertas, permitindo que o peróxido de hidrogénio flua através do revestimento para atingir o núcleo de cobalto-ferro. Uma vez lá, o núcleo desencadeia uma reação que torna um composto químico transparente chamado TMB num azul vívido. No entanto, quando a enrofloxacina está presente na água, ela desliza de volta para essas cavidades específicas, encaixando-se perfeitamente como uma chave numa fechadura. Esta ação bloqueia fisicamente a porta, impedindo que o peróxido de hidrogénio chegue ao núcleo. Como resultado, a cor azul não se desenvolve, ou desenvolve-se de forma muito mais ténue. Quanto mais enrofloxacina houver na água, mais cavidades são preenchidas e menos cor azul aparece. Esta mudança na intensidade da cor fornece uma medida visual direta de quanto fármaco existe na amostra.

Os investigadores testaram este sensor com rigorosa precisão. Descobriram que ele consegue detetar enrofloxacina em concentrações tão baixas quanto 0,03 micromoles, com uma resposta linear que varia de 0,19 a 50 micromoles. Isto significa que o sensor é sensível o suficiente para detetar quantidades muito pequenas do fármaco, mantendo simultaneamente a precisão quando a concentração é mais elevada. Para garantir que o sensor não estava apenas a reagir a qualquer produto químico, testaram-no contra outros antibióticos e moléculas semelhantes. O sensor permaneceu indiferente a estes semelhantes, provando que a impressão molecular ensinou o material a reconhecer apenas a enrofloxacina. O estudo também confirmou que o sensor funciona através do bloqueio físico da via de reação, em vez de destruir quimicamente o catalisador ou alterar a sua natureza.

Finalmente, a equipa levou o sensor do laboratório para o mundo real. Recolheram amostras de água dos sistemas fluviais Yangtze e Amarelo, bem como de explorações pecuárias e hospitais. Em todos os casos, o sensor mediu com precisão a quantidade de enrofloxacina, com taxas de recuperação entre 98,6% e 104%. Este elevado nível de precisão em amostras de água complexas e sujas sugere que o método é robusto o suficiente para uso em campo. O sensor é também reutilizável; a enrofloxacina pode ser lavada das cavidades, permitindo que o material seja utilizado novamente sem perder a sua capacidade de detetar o fármaco. Este trabalho oferece uma ferramenta promissora e de baixo custo para monitorizar a qualidade da água, proporcionando uma forma de manter uma vigilância apertada sobre a poluição por antibióticos sem a necessidade de maquinaria dispendiosa ou formação altamente especializada.