Biossensores baseados em ressonância de plasmon de superfície utilizando arranjos de nanoburacos, superfícies com grades de relevo e compósito de hidrogel/nanopartículas de ouro

Abstract

RESUMO: Sensores baseados em ressonância de plasmon de superfície (SPR) ou SPR localizado (LSPR) tem sido amplamente utilizados para monitorar eventos de ligação próximos à superfície de um metal transdutor. Plasmons de superfície (SPs) são ondas que se propagam ao longo da superfície de um condutor, geralmente um metal, geradas por uma incidência e aprisionamento de luz na superfície devido a uma interação ressonante dessa luz com elétrons da banda de condução do condutor; SPs ressonantes apresentam alta sensibilidade à variação de índice de refração na superfície do transdutor e por isso esse efeito pode ser utilizado para detectar qualquer corpo estranho na superfície, como por exemplo, biomoléculas imobilizadas na superfície metálica. Neste trabalho foram empregadas três configurações diferentes de dispositivos que exploram SPR utilizando diferentes modos de transdução óptica na detecção de pequenas concentrações de biomoléculas de interesse; esses substratos plasmônicos foram baseados em diferentes tipos de nanoestruturas de ouro: 1) superfícies cobertas com fina camada de ouro contendo grades de relevo com ordenação periódica e profundidade de grade controladas 2) compósito composto por filme de hidrogel de PAAm/nanopartículas de ouro (AuNPs) e 3) arranjos de nanoburacos periodicamente ordenados fabricados em filme fino de ouro. As superfícies com grades de relevo (SRGs) foram obtidas pela técnica de interferência de laser baseando-se no efeito de fotoisomerização trans-cis de azopolímero. O compósito foi obtido a partir da imersão de um filme de hidrogel PAAm, eletropolimerizado sobre substrato condutor adequado, em suspensão aquosa de nanopartículas de ouro, a qual foi obtida por redução de HAuCl4 com citrato de sódio. Já os arranjos de nanoburacos foram obtidos por técnica litográfica utilizando feixes de íons focados (FIB). As SRGs foram utilizadas em arranjo experimental que proporcionou incidência normal de luz utilizando modo de transdução baseado no monitoramento do deslocamento da banda de transmissão (arranjo experimental pioneiramente aplicado para SRGs). Foram testadas SRGs de diferentes relações periodicidades/profundidades e verificou-se que a profundidade de grade é um parâmetro geométrico com maior influência na sensibilidade do sensor, sendo o melhor substrato apresentando periodicidade/profundidade de 410/65 nm com sensibilidade de 188 nm/unidade de índice de refração (UIR); biomoléculas de BSA foram imobilizadas na superfície das grades a partir de solução aquosa de concentração alta o suficiente para saturar a superfície e foi obtido um deslocamento de 6,7 nm na banda de transmissão. Para o compósito de filme de hidrogel de PAAm, com ca. 170 m de espessura, e AuNPs, com diâmetro de ca. 19 nm, aprisionadas dentro da matriz polimérica do hidrogel, foi empregada uma transdução baseada no deslocamento da banda de absorção das AuNPs. Vale ressaltar que um biossensor com essa construção ainda não foi reportado. Uma detecção biomolecular foi executada através da inserção de moléculas de BSA dentro do hidrogel (e próximas a superfície das nanopartículas) pelo "Mecanismo de Respiração". Um deslocamento mínimo de 0,2 nm na banda de absorção foi verificado quando o compósito foi colocado em uma solução de 0,01 g/mL (mínimo detectável), enquanto que o deslocamento máximo obtido foi de 3,8 nm em solução de 20 g/mL da proteína (saturação da matriz de hidrogel com biomoléculas proteicas). Os substratos baseados em arranjos de nanoburacos foram aplicados para detecção do antígeno p185 que é relacionado com câncer de mama, mais incidente entre as mulheres; uma concentração de antígeno de 3 ng/mL foi detectada. O modo de transdução foi o baseado na aquisição de imagens de luz transmitidas pelos arranjos. A sensibilidade média obtida de 4 arranjos semelhantes do substrato (diâmetro de buraco de 200 nm, periodicidade de 400 nm) foi em média 4150 unidades intensidade/UIR que são valores comparáveis ao de sensores SPR baseados na configuração convencional de Kretschmann a qual está entre os sensores SPR mais sensíveis já desenvolvidos

ABSTRACT: Sensors based on surface (SPR) or localized plasmon resonance (LSPR) have been widely used to monitor binding events close to the surface of a transducer metal. Surface plasmons (SPs) are waves propagating along the surface of a conductor, usually a metal, generated by an incidence and trapping of light at the surface due to a resonant interaction of this light with electrons from the conduction band of the metal. Resonant SPs have high sensitivity to refractive index changes at the transducer surface and thus this effect can be used to detect any strange body, such as a biomolecule, immobilized on the surface. In this study, we used three different configurations of devices that exploit SPR using different modes of optical transduction. These devices were used to detect low concentrations of biomolecules; these plasmonic substrates were based on different types of gold nanostructures: 1) surfaces covered with a thin gold layer containing relief gratings with periodic ordering and controlled grid depths, 2) a composite formed by a film of PAAm hydrogel and gold nanoparticles (AuNPs) and, 3) nanoholes arrays periodically ordered manufactured on a thin gold film. The surfaces relief gratings (SRGs) were obtained by a laser interference technique based on the effect of cis/trans isomerization of azopolymers. The composite was obtained by immersing a film of PAAm hydrogel (electropolymerized on a suitable conductive substrate) in an aqueous suspension of gold nanoparticles, which was obtained by HAuCl4 reduction with sodium citrate. The nanoholes arrays were obtained by a lithographic technique using focused ion beam (FIB). The SRGs were used in an experimental setup with normal incidence of light using transduction mode and monitoring the transmission band shift (an experimental setup pioneered applied to SRGs). The SRGs with different ratios of periodicity/depths were tested and it was found that the depth grid is a geometric parameter with a strong influence in the platform sensitivity. The best substrate presented periodicity/depth of 410/65 nm and showed a sensitivity of 188 nm/refractive index unit (RIU). Bovine serum albumin (BSA) molecules were immobilized on the surface of the grids from an aqueous solution and a shift of 6.7 nm of the transmission band was observed. For the composite, comprised of a ca. 170 mm thick PAAm hydrogel film embebbed with ca. 19 nm diameter AuNPs, the transduction was based on the absorption band shift of the AuNPs. It worth to note that a biosensor with this construction is not reported to date. A biomolecular detection was performed by incorporation of BSA molecules within the hydrogel (and near the surface of the nanoparticles) through a "breathing mechanism". A minimum displacement of 0.2 nm in the absorption band was observed when the composite was placed in a 0.01 mg/mL solution (minimum detectable), while the maximum shift was 3.8 nm in a 20 mg/mL of protein solution (saturating the hydrogel with the biomolecule). The substrates based on gold nanoholes arrays were applied to the detection of the p185 antigen which is associated with breast cancer. A minimum antigen concentration of 3 ng/mL was detected. The transduction mode was based on the acquisition of images of the light transmitted by the arrays using a CCD camera. The average sensitivity obtained from four similar arrays (hole diameter of 200 nm, periodicity 400 nm) was on average 4150 intensity units/RIU that is comparable to SPR sensors based on Kretschmann configuration which is between the most sensitive SPR sensors already developed