Dispositivos elétrico-eletroquímicos verticais de grafeno: a nova geração de biossensores on chip

Autor(es)

Isabela Alteia Mattioli

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Química de São Carlos (IQSC/BT)
• Data de defesa: 2022-03-24

Membros da banca

Frank Nelson Crespilho; Cecília de Carvalho Castro e Silva; Nelson Ramos Stradiotto; Nirton Cristi Silva Vieira

• Orientador: Frank Nelson Crespilho

Resumo

A pandemia de COVID-19 trouxe a necessidade global de desenvolvimento de novos biossensores de uso prático, com rápida reposta, sensíveis e de baixo custo, visando o diagnóstico no ponto de atendimento e monitoramento em massa da contaminação da população. Nesse sentido, os transistores de efeito de campo de grafeno (GFETs) estão entre os biodispositivos mais promissores devido à sensibilidade e rapidez de resposta. Entretanto, a baixa seletividade, inerente ao mecanismo de resposta dos GFETs e o uso de um eletrodo de referência não-polarizável do tipo Ag/AgClsat em sua configuração limitam a aplicação. Neste sentido, nesta Tese de Doutorado apresentam-se o desenvolvimento e a aplicação de um novo tipo de biossensor a base de grafeno monocamada, com detecção híbrida, onde o dispositivo usa princípios elétricos e eletroquímicos, denominado Dispositivo Elétrico-Eletroquímico Vertical de Grafeno (DEEV). O DEEV foi projetado para que um eletrodo formado pela heterojunção de camada grafeno/sonda redox adsorvida fique exposta ao eletrólito e, com isso, pequenas mudanças causadas por analitos na interface eletrodo/eletrólito altere a densidade de carga próxima ao ponto K da primeira zona de Brillouin do grafeno. Esta perturbação altera o ponto de Dirac e causa dispersão de energia, resultando em diferentes valores de capacitância e potencial da interface, que são fortemente correlacionadas à presença do analito. Além disso, foi observado que processos faradaicos podem ocorrer no plano ortonormal do grafeno na presença de uma sonda redox acoplada por interações de van der Waals, intensificando a perturbação da interface pela presença do analito no eletrólito, tornando o DEEV mais sensível quando comparado ao GFET. Como prova de conceito, utilizou-se um DEEV baseado na heterojunção grafeno/ferroceno para detecção de DNA em fita única, obtendo-se um limite de detecção (LOD) na ordem de zeptomolar (10-21 mol L-1). Por ter carga total negativa, o DNA altera a capacitância da interface formada pela heterojunção, alterando também o potencial de circuito aberto (OCP), que por sua vez, responde às mudanças de concentrações de DNA. Por conseguinte, o DEEV foi aplicado como um imunossensor para diagnóstico de COVID-19. Para isso, substituiu-se o ferroceno pela sonda redox neutral red modificada com os domínios RBD da proteína Spike do SARS-CoV-2. Nesta configuração, o biossensor requer 40 µL de amostra de soro de um paciente infectado com COVID-19, sendo possível detectar anticorpos IgG produzidos em resposta à infecção por COVID-19 com LOD de 1,0 pg mL-1. Por fim, desenvolveu-se um biossensor do tipo DEEV para detecção de antígeno (vírus SARS-CoV-2) em amostras de saliva, com LOD de 2,86 fmol L-1, indicando a adequação do biossensor para o diagnóstico de COVID-19 em estágio inicial. Tanto o imunossensor, quanto o biossensor de antígeno para diagnóstico de COVID-19, foram validados em amostras reais e utilizando parâmetros de validação da ANVISA e ABRAMED. (AU)

• Processo FAPESP: 18/11071-0 - Desenvolvimento e aplicação de eletrodos compósitos impressos descartáveis à base de nanopartículas metálicas e grafite-poliuretana
• Beneficiário: Isabela Alteia Mattioli
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto