Formação in-situ de nanofilme em papel pirolisado 3D para análises eletroquímicas em fluidos biológicos complexos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Nicoliche, Caroline Yumi Nakiri, 1992-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/7467
Resumo: Orientador: Renato Sousa Lima
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spelling Formação in-situ de nanofilme em papel pirolisado 3D para análises eletroquímicas em fluidos biológicos complexosIn-situ nanofilm formation on 3D pyrolyzed paper for electrochemical analysis in complex biological fluidsEletroquímicaBiossensoresPiróliseElectrochemistryBiosensorsPyrolysisOrientador: Renato Sousa LimaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Os sensores eletroquímicos são uma alternativa promissora para análise point-of-care (POC). Apesar disso, o desenvolvimento de um dispositivo responsivo em meio complexo e escalonável que permita a análise de amostras biológicas ainda é desafiador principalmente devido à passivação do eletrodo pelo meio, o que prejudica o seu desempenho analítico e dificulta a sua comercialização e uso em aplicações de rotina. Para impedir essa passivação, é adotada usualmente uma camada anti-passivadora para inibir a adsorção não específica das proteínas sobre a superfície do eletrodo. Porém, essas camadas levam a limitações como perda de sensibilidade, maiores complexidade e tempo de fabricação e redução da durabilidade do sensor. Sem qualquer etapa de modificação química covalente, este trabalho propõe uma estratégia inédita para análises eletroquímicas de fluidos biológicos complexos utilizando papel pirolisado, um material 3D poroso, hidrofóbico e condutor, como eletrodo escalonável, verde e descartável acoplado ao uso de um surfactante disponível comercialmente, o Tween®20 (T20). Esse polissorbato foi capaz de formar de maneira in-situ uma nanocamada anfifílica (~2 nm) que levou a dois fenômenos simultâneos cooperativos: i) permeação lenta e gradual da amostra através dos poros do eletrodo, aumentando a sua área eletroativa e ii) proteção da sua superfície contra passivação pela formação de uma camada hidrofílica de solvatação. Além disso, a espessura nanométrica do T20 foi crucial para que não ocorresse um impedimento significativo da cinética da transferência de carga com a sonda redox, [Fe(CN)6]3/4–. O sensor foi caracterizado por diferentes técnicas para estudo i) das suas propriedades físicas (ângulo de contato, LSCM, resistividade, SEM, AFM, Raman e TEM) e eletroquímicas (voltametria cíclica e EIS,), ii) da capilaridade das amostras em função do T20 (SEM e EDS) e iii) da adsorção, espessura e propriedade de antipassivação do T20 (XPS, AFM, µCT, STEM/EELS, dC/dZ por AFM). Após a adição do T20 em solução com albumina de soro bovino (BSA), o biopassivador modelo adotado, a corrente aumentou em 300% com o tempo de incubação. Além disso, houve aumento na sensibilidade, possibilitando sua modulação com o tempo de interação de acordo com a necessidade. Em testes de até 4 h de exposição ao T20, as correntes de pico após 5 min da interação com a sonda redox aumentaram em 19,6% em relação aos dados de 1 h de exposição ao T20. Por fim, aumentou-se a complexidade da matriz para análise do desempenho do sistema em um meio de relevância clínica, o plasma humano não diluído. Enquanto as estratégias de proteção contra a passivação disponíveis na literatura comprometem a sensibilidade, nosso método proporcionou um aumento de corrente de 125% em relação à corrente original após 1 h de exposição ao plasma. O método se mostra, assim, promissor para o desenvolvimento de biossensores visando seu uso em dispositivos POC e testes em massaAbstract: Electrochemical sensors are a promising alternative to point-of-care (POC) analysis. Despite this, the development of a responsive and scalable device that allows analysis of biological samples is still a challenge. The main reason for this is due to the electrode surface passivation by the medium, which damage its analytical performance, compromising its commercialization and daily use. To prevent this passivation, an antifouling layer is usually applied to inhibit the non-specific adsorption of proteins on the electrode surface. However, these protection layers lead to limitations such as sensitivity loss, increase of fabrication complexity and time, and reduction of the sensor life spam. Without any covalent modification step, this work proposes aN unprecedented strategy for electrochemical analysis of complex biological fluids using a pyrolyzed paper, a 3D porous, hydrophobic and conductive material, as a scalable, disposable, and green electrode coupled to a commercially available surfactant, Tween®20 (T20). This polysorbate was capable to form in-situ amphiphilic nanolayer (~2nm) that led to two cooperative simultaneous phenomena: i) a slow and gradual permeation of the samples through electrode porous, increasing its electroactive area and ii) an antifouling surface protection against passivation by a hydrophilic solvation layer. Besides that, the nanometer thickness of T20 was crucial to prevent a significant impediment to the charge transfer kinetics of redox pair, [Fe(CN)6]3/4–. The sensor was characterized through different characterization techniques for i) its physical proprieties (contact angle, LSCM, resistivity, SEM, AFM, Raman, and TEM) and electrochemical properties (cyclic voltammetry and EIS), ii) sample capillarity with T20 (SEM and EDS), and iii) adsorption, thickness, and antifouling propriety of T20 (XPS, AFM, µCT, STEM/EELS, and AFM dC/dZ). After T20 addition in a solution of bovine serum albumin (BSA), a biofouling model adopted, the current increased by 300% with incubation time. In tests of up tp 4 h experiments of T20 exposure, the peak current after 5 min of redox probe interaction increased by 19.6% in relation to 1 hour exposition data to T20. At last, the matrix complexity was increased to analyze the system performance in a clinically relevant medium, undiluted human plasma. Even though anti-biofouling strategies in literature compromise the sensor sensibility, our method provided a current increase of 125% compared to the original current after 1h of interaction with human plasm. Therefore, the method shows a promising biosensors development aiming its use in POC and mass diagnosis devicesMestradoQuímica AnalíticaMestra em QuímicaCAPES001[s.n.]Lima, Renato Sousa, 1984-Kubota, Lauro TatsuoColtro, Wendell Karlos TomazelliUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de QuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASNicoliche, Caroline Yumi Nakiri, 1992-20222022-11-10T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (64 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/7467NICOLICHE, Caroline Yumi Nakiri. Formação in-situ de nanofilme em papel pirolisado 3D para análises eletroquímicas em fluidos biológicos complexos. 2022. 1 recurso online (64 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/7467. 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