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Título: Desenvolvimento de imunossensores baseados em redes de Bragg
Título(s) alternativo(s): Development of immunosensors based on fiber Bragg gratings
Autor(es): Prediger, Nathalia de Campos
Orientador(es): Kamikawachi, Ricardo Canute
Palavras-chave: Redes de Bragg
Detectores ópticos
Biossensores
Proteína fluorescente verde
Química - Corrosão
Nanopartículas
Fibras ópticas
Bragg gratings
Optical detectors
Biosensors
Green fluorescent protein
Chemistry - Corrosion
Nanoparticles
Optical fibers
Data do documento: 21-Out-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: PREDIGER, Nathalia de Campos. Desenvolvimento de imunossensores baseados em redes de Bragg. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: O presente trabalho explora sensores baseados em redes de Bragg (FBG) insaturadas e saturadas, de acordo com sua sensibilidade a mudança do índice de refração do meio. Explora também a aplicação de sensores FBG saturados com recobrimento de nanopartículas de ouro para funcionalização e detecção de GFP (Green Fluorescent Protein). As FBG foram gravadas através do método de exposição direta a máscara de fase, com variações dos parâmetros de tempo e abertura de íris do sistema ótico de gravação. Após a gravação, as redes passaram pelo processo de corrosão química. Os resultados mostram que essas redes de Bragg corroídas (EFBG) saturadas têm sensibilidades ao índice de refração semelhantes as EFBG insaturadas. Porém, após o ataque químico as EFBG saturadas apresentam espectro com acoplamento para modos de ordem superior, com maior sensibilidade a variação do índice de refração do meio em relação ao modo fundamental. Além disso, a faixa de índice de refração do meio em que é possível a leitura do sinal é maior para redes saturadas corroídas 1 a 1,456 UIR, em relação às insaturadas 1,33 até 1,445 UIR. A melhoria das sensibilidades de sensores EFBG também foi analisada com a deposição de camadas de revestimento de nanopartículas. Neste trabalho, a deposição das nanopartículas de ouro (AuNPs) funcionalizadas com citrato de sódio sobre a região sensora com a técnica de drop-casting foi realizada em três sensores, FBG-1 (insaturada), e SFBG-2 e SFBG-3 (saturadas). As deposições limitaram a faixa de índice de refração que pode ser medido, 1,333 a 1,406 UIR para a FBG-1, faixa de 1 a 1,418 UIR para a SFBG-2 e na faixa de 1 a 1,4459 UIR para a SFBG-3. Com a deposição, que se mostrou eficiente e resistente a imersão em soluções aquosas, verificou-se o aumento da sensibilidade a variação do índice de refração externo, embora esse aumento não seja constante ao longo das faixas de índices de refração analisadas. Para a aplicação de imunossensoriamento, foram utilizadas redes saturadas corroídas com deposição de AuNPs sintetizadas com citrato de sódio que disponibiliza grupos carboxílicos utilizados para ligar os anticorpos na superfície das nanopartículas. Foram feitas as deposições das nanopartículas, com deposição de EDC/NHS para ativar os grupos carboxílicos, com posterior deposição do anti-GFP (anticorpo) ou da GFP (antígeno), com posterior deposição de BSA para evitarligações inespecíficas na detecção do material alvo. Os sensores SFBG se mostraram eficazes na detecção do material biológico, tanto na detecção de antígenos como na de anticorpos, mostrando o potencial como teste de diagnósticos de doenças. É importante ressaltar que a sensibilidade do sensor funcionalizado com anti-GFP para medidas do antígeno foi maior, tendo um deslocamento de comprimento de onda maior, após bloqueio de ligações inespecíficas e da lavagem, tendo valores em módulo de 0,568 nm e 0,092 nm, para o sensor de detecção de GFP (antígeno) e para o sensor de detecção de anti-GFP (anticorpo) respectivamente.
Abstract: The present work explores sensors based on unsaturated and saturated Fiber Bragg Gratings (FBG), according to their sensitivity to changes in the refractive index of the surrounding medium. It also investigates the application of saturated FBG sensors coated with gold nanoparticles for functionalizing and detecting Green Fluorescent Protein (GFP). The FBGs were inscribed using the direct phase mask exposure method, with variations in the exposure time and the aperture of the optical recording system. After the inscription, the gratings underwent a chemical etching process. When saturated, the results show that these etched fiber Bragg gratings (EFBG) have refractive index sensitivities like those of unsaturated EFBGs. However, after chemical etching, the saturated EFBGs exhibit spectra with coupling to higher-order modes, showing greater sensitivity to variations in the refractive index of the surrounding medium compared to the fundamental mode. Moreover, the refractive index range in which signal readings are possible is broader for the etched saturated gratings, spanning from 1 to 1.456 RIU, compared to the unsaturated ones, which range from 1.33 to 1.445 RIU. The enhancement of EFBG sensor sensitivities was also analyzed using the deposition of nanoparticle coatings. In this work, gold nanoparticles (AuNPs) functionalized with sodium citrate were deposited on the sensing region using the drop-casting technique on three sensors: FBG-1 (unsaturated), SFBG-2, and SFBG-3 (saturated). The depositions limited the refractive index range that could be measured, 1.333 to 1.406 RIU for FBG-1 (unsaturated) and from 1 to 1.418 RIU for SFBG-2, and in the range of 1 to 1.4459 RIU for SFBG-3. The deposition, which proved efficient and resistant to immersion in aqueous solutions, led to an increase in sensitivity to external refractive index variations, although this increase was not constant across the analyzed refractive index ranges. For immunosensing applications, saturated etched fiber Bragg gratings coated with AuNPs synthesized with sodium citrate were used, providing carboxyl groups for binding antibodies to the nanoparticle surface. Nanoparticle depositions were conducted, followed by the deposition of EDC/NHS to activate the carboxyl groups and, subsequently, the deposition of anti-GFP (antibody) or GFP (antigen), with a final BSA deposition to prevent nonspecific binding during target material detection. SFBG sensors provedeffective in detecting biological material in antigen and antibody measurements, demonstrating potential as diagnostic test tools for diseases. It is important to note that the sensitivity of the anti-GFP functionalized sensor for antigen detection was higher, with a more significant wavelength shift after blocking nonspecific bindings and washing, with absolute values of 0.568 nm and 0.092 nm for the GFP (antigen) detection sensor and the anti-GFP (antibody) detection sensor, respectively.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35372
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