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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2016.tde-15122015-084635
Document
Author
Full name
Rubens Araujo da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Petri, Denise Freitas Siqueira (President)
Barbosa, Leandro Ramos Souza
Machini, Maria Teresa
Ribeiro, Ana Maria Carmona
Salvadori, Maria Cecilia Barbosa da Silveira
Title in Portuguese
Sensores particulados e nanomecânicos
Keywords in Portuguese
Bioconjugação
Colesterol oxidase
Lipase
Microcantilever
Sensor de umidade
Sensores nanomecânicos
Vermelho do Congo
Abstract in Portuguese
Esta tese descreve o desenvolvimento e aplicação de sensores particulados (Parte A) e nanomecânicos (Parte B). Nanopartículas de poliestireno (PS) decoradas com Poli (etileno glicol), PEG, foram sintetizadas e caracterizadas antes e após adsorção do corante vermelho do Congo (VC). Colesterol oxidase (Chox), a principal enzima na oxidação do colesterol, foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC para gerar sensores de colesterol. A bioconjugação entre VC e Chox permitiu respostas lineares para dosagem de colesterol HDL presente em amostras de sangue artificial. A lipase, uma hidrolase com larga aplicação científica e industrial, também foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC. Os parâmetros cinéticos da hidrólise de p-nitrofenil butirato determinados para lipase livre e lipase imobilizada mostraram que sobre PS/PEG/VC a velocidade máxima de reação (Vmax) e número de renovação (kcat) aumentaram em comparação com os valores determinados para enzima livre. Lipase imobilizada sobre PS/PEG/VC pôde ser reutilizado por até sete vezes, perdendo um máximo de 10% ou 30% da atividade enzimática original a 40 °C ou 25 °C, respectivamente. Estes efeitos foram atribuídos à bioconjugação entre lipase e VC. Os comportamentos catalíticos da lipase e da Chox na ausência e na presença de grafeno (G) ou grafeno oxidado (GO) foram sistematicamente investigados. Na presença de G, ambas enzimas apresentaram valores de Vmax e de kcat superiores aos das enzimas livres. Já na presença de GO, Chox não apresenteou atividade e lipase apresentou Vmax e de kcat superiores aos da enzima livre. Estes resultados foram atribuídos à bioconjugação com as partículas de G e GO e grupos hidrofílicos presentes no plano basal de GO. Sensores nanomecânicos foram desenvolvidos a partir de microcantileveres (MC). Respostas nanomecânicas frente à variação de umidade relativa do meio foram detectadas utilizando filmes finos de Poli (hidroxietil metacrilato), PHEMA, com três diferentes massas molares médias depositados sobre MC de silício puros, um substrato hidrofílico, e sobre MC revestidos com PS, um substrato hidrofóbico. Os resultados demonstraram que as respostas nanomecânicas dependem não só do tamanho de cadeia de PHEMA, mas também da camada de água interfacial entre PHEMA e MC. Transdução nanomecânica foi usada para detectar e dosar a presença do biomarcador antígeno carcinoembrionário (CEA) presente em amostras de soro. CEA é um biomarcador de interesse clínico-diagnóstico para acompanhamento e prognóstico de câncer de cólon. O biomarcador é primeiro reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C1) ancorado a uma nanopartícula de ouro, e posteriormente reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C6) ancorado em um MC de silício, o qual serve como um ressonador mecânico de massa de nanopartículas de ouro capturadas. O biosensor desenvolvido é capaz de dosar CEA sérico em concentrações traços, correspondente a 1,0 10-16 g ml-1.
Title in English
Particulate and nanomechanical sensors
Keywords in English
Bioconjugation
Cholesterol oxidase
Congo red
Humidity sensor
Lipase
Microcantilever
Nanomechanical sensor
Abstract in English
This thesis reports the development and application of particulate (Part A) and nanomechanics sensors (Part B). Poly (ethylene glycol), PEG, decorated polystyrene (PS) nanoparticles were synthesized and characterized before and after adsorption of the dye Congo red (CR). Cholesterol oxidase (Chox), the key enzyme in the oxidation of cholesterol, was immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/CR particles for generating cholesterol sensors. The bioconjugation between CR and Chox allowed linear responses for HDL cholesterol content in artificial blood samples. Lipase, a hydrolase with large scientific and industrial applications, was also immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/VC nanoparticles. The kinetic parameters of the hydrolysis of p-nitrophenyl butyrate were determined for free lipase and immobilized onto PS/PEG/CR particles. The results showed that maximum reaction velocity (Vmax) and catalytic efficiency (kcat) increased compared to the values determined for the free enzyme. Lipase immobilized onto PS/PEG/CR particles could be recycled seven times, losing maximum 10% or 30% of the original enzymatic activity at 40 °C or 25 °C, respectively. These effects were attributed to bioconjugation between lipase and CR. Catalytic behavior of lipase and Chox in the absence and in the presence of graphene (G) or graphene oxide (GO) was systematically investigated. In the presence of G, both enzymes showed Vmax and kcat values higher than free enzymes. On the other hand, ChOx was inactive and the interactions between GO and lipase showed Vmax and kcat values higher than those of the free enzyme. These results were attributed to bioconjugation of G and GO particles and hydrophilic groups present in the basal plane of GO. Nanomechanical sensors were developed from microcantilevers (MC). Nanomechanical answers against the relative humidity variation of the medium were detected using thin films of poly (hydroxyethyl methacrylate), PHEMA, with three different average molecular masses deposid onto bare silicon microcantilevers, a hydrophilic substrate, and onto polystyrene (PS) coated microcantilevers, which is a hydrophobic substrate. The results found in the present study demonstrate that the micromechanical responses observed are related not only to the polymer molecular weight, but also to the polymer-interface phenomena and environment-polymer interface. Nanomechanics transductions were used to dose and detect the presence of carcinoembryonic antigen in serum samples. CEA is a biomarker of clinical diagnostic interest for monitoring and prognose of colon cancer. Biomarker is first recognized by a surface-anchored antibody to a gold nanoparticle (MAB 3C1) and later recognized by a surface-anchored antibody to a silicon MC (MAB 3C6), that acts as a mechanical resonator for 'weighing' the mass of the captured nanoparticles. The biosensor developed is able to dose serum CEA in trace concentrations, corresponding to 1.0 10-16 g ml-1.
 
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Publishing Date
2016-02-16
 
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