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Disertación de Maestría
DOI
10.11606/D.75.2010.tde-27082010-104803
Documento
Autor
Nombre completo
Renato Sousa Lima
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2010
Director
Tribunal
Carrilho, Emanuel (Presidente)
Torresi, Susana Ines Cordoba de
Zucolotto, Valtencir
Título en portugués
Biossensor condutométrico sem contato em microchip contendo ácido fólico como biorreceptor
Palabras clave en portugués
Biomarcador tumoral
Condutometria sem contato
Microfluídica
Sensor químico
Resumen en portugués
Este trabalho descreve o desenvolvimento de um biossensor contendo transdução condutométrica sem contato (C4D, capacitively coupled contactless conductivity detection) e ácido fólico (FA) como biorreceptor em microchip, uma nova alternativa que poderá ser utilizada na determinação do biomarcador tumoral FR-α. Essa espécie exibe interações com FA altamente específicas, com constantes de formação da ordem de 109-1010. Os dispositivos microfluídicos, os quais consistiram de uma lâmina de vidro (integrando os eletrodos), dielétrico (contendo a fase biossensora) e substrato de poli(dimetilsiloxano) (PDMS, incorporando os microcanais), foram fabricados utilizando-se processos de fotolitografia e deposição de filmes finos em fase vapor. Objetivando melhorias nos níveis de detecção da C4D, estudos de sensibilidade com base em parâmetros da curva analítica foram conduzidos alterando-se a natureza do dielétrico e a configuração dos eletrodos. Posteriormente, estudos de caracterização foram realizados para as superfícies modificadas com os intermediários de imobilização; condições reacionais distintas (reagente, concentração, solvente e tempo) foram consideradas. As técnicas de microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X foram usadas, respectivamente, a fim de se verificar a possível formação de aglomerados e permitir determinações qualitativas e quantitativas sobre as composições químicas das superfícies. Como resultado dos experimentos de sensibilidade e caracterização de superfície, adotamos os parâmetros seguintes para os ensaios de interações biomoleculares posteriores: filme de SiO2 como dielétrico, eletrodos seletivos à C4D com formato retangular e orientação antiparalela e monocamadas automontadas do reagente 3-aminopropil(trietoxisilano) como intermediário de imobilização de FA. As duas etapas finais do trabalho foram: otimização do tempo de funcionalização com FA (3, 5 e 7 h) e caracterização da fase biossensora, realizada a partir de medidas de C4D e microscopia de força atômica (AFM). Para o primeiro caso, os microchips foram aplicados a um padrão de anticorpo monoclonal específico a FA (α-FA). Os ensaios biomoleculares indicaram uma adsorção efetiva de FA junto à superfície de SiO2 silanizada, sem a ocorrência (ao menos em níveis significativos) de impedimentos estéricos de sua espécie bioativa. Dentre os tempos de funcionalização investigados, 3 h foi aquele que resultou em uma maior sensibilidade do método. Em termos da etapa de caracterização eletroquímica da fase biossensora, seus resultados mostraram haver correlação entre a resposta analítica e as interações FA/α-FA. Em adição, conforme indicaram as medidas de AFM, não houve alterações drásticas na morfologia do substrato (SiO2) em função dos processos de modificação química de superfície. Por fim, o uso da C4D como uma técnica de transdução em biossensores mostrou-se uma alternativa promissora para a análise do biomarcador tumoral FR-α. Dentre outros aspectos, essa plataforma analítica requer uma instrumentação simples, barata e portátil, não apresenta inconvenientes relacionados ao contato eletrodo/solução, dispensa o uso de mediadores redox e permite a determinação simultânea de multianalitos. Neste ínterim, alterações no transdutor devem ser implementadas visando um aumento na sensibilidade do método, o qual representa seu fator limitante principal.
Título en inglés
Contactless conductometric biosensor in microchip containing folic acid as bioreceptor
Palabras clave en inglés
Chemical sensor
Contactless conductometric
Microfluidics
Tumor biomarker
Resumen en inglés
This work describes the development of a biosensor containing capacitively coupled contactless conductivity transduction (C4D) and folic acid (FA) as bioreceptor in microchip, a new alternative that can be used in FR-α tumor biomarker analysis. FR-α exhibits highly specific interactions with FA, showing formation constants of the order of 109-1010. The microfluidic devices consisted of a glass layer (integrating the electrodes), dielectric (containing the biosensor phase), and poly(dimetilsiloxane) substrate (PDMS, incorporating microchannel). The microfabrication stage evolved photolithography processes, metal adsorption via sputtering, and plasma-enhanced vapor film deposition. In order to improve detection levels of C4D, sensitivity studies were conducted by changing the dielectric nature and electrode configuration. Through flow analysis with given electrolyte standards, the limits of detection and quantification were calculated based on analytical curve parameters. Subsequently, researches were performed to characterize the modified surfaces with immobilization intermediate considering reaction conditions distinct (reagent, concentration, solvent, and time). The techniques of scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy were employed, respectively, aiming to verify the clusters formation and allow qualitative and quantitative determinations about the surfaces chemical composition. From the results of sensitivity experiments and surface characterization, we adopt the following parameters for the biomolecular interactions assays: SiO2 film as dielectric, C4D selective electrodes with rectangular shape and antiparallel orientation, and self-assembled monolayers of 3-aminopropyl(triethoxysilane) as intermediary for immobilization of FA. The two final steps of the work were: optimizing the FA functionalization time (3, 5, and 7 h) and phase biosensor characterization, made from measures of C4D and atomic force microscopy (AFM). For the first case, due to the absence of FR-α standard for purchase, the microchips were applied to FA specific monoclonal antibody (α-FA). The biomolecular assay indicated effective adsorption of FA, without occurrence (at least in significant levels) of steric hindrance of its bioactive specie. Among the investigated times of functionalization, 3 h resulted in a higher sensitivity of the method. In terms of biosensor phase electrochemical characterization stage, their results evidenced correlation between analytical response and FA/α-FA interactions. Additionally, as the AFM measurements showed, drastic changes in the morphology of the substrate (SiO2) with the surface modification processes did not occur. Finally, the use of the C4D as transduction technical in biosensors proved to be a promissory alternative for FR-α tumor biomarker analysis. Among other features, this platform has not drawbacks related to the electrode/solution contact, dispenses the use of redox mediators, allows the simultaneous determination of multianalytes, and employs an instrumentation that is simple, cheap, and portable. Nevertheless, changes in the transducer should be implemented to increase the method sensitivity, which represents its main limiting factor.
 
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RenatoSousaLimaR.PDF (11.61 Mbytes)
Fecha de Publicación
2011-03-29
 
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