Proposta de mitigação das interações inespecíficas em um biossensor óptico Label Free: aplicação na plataforma BioSearch
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Reducing nonspecific interactions in a Label-Free optical biosensor: a case study on the BioSearch platform
Primeiro orientador
Membros da banca
Anna Carolina Pinheiro Lage
Luiz Orlando Ladeira
Luiz Orlando Ladeira
Resumo
Interações inespecíficas representam um dos principais desafios para a aplicação de biossensores label-free: dispositivos capazes de detectar interações biomoleculares sem o uso de marcadores secundários. Em amostras biológicas complexas, como o soro humano, essas interações, causadas por ligações não seletivas de biomoléculas (interferentes) à superfície sensora, comprometem a seletividade, aumentam o ruído de fundo e dificultam a interpretação dos sinais. Neste trabalho, é apresentada uma nova abordagem para mitigação dessas interações, utilizando partículas denominadas Nanocleansers, que são nanobastões de ouro (AuNbs) com morfologia alongada e ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR) acima de 800 nm, fora da faixa de detecção do sistema analítico. A metodologia foi implementada na plataforma óptica BioSearch e validada com biossensores funcionalizados com a proteína N do SARS-CoV-2. O mecanismo de detecção da plataforma é baseado em alterações no espalhamento dinâmico de luz despolarizada (DDLS) dos biossensores em solução, ocasionada pela ligação de biomoléculas aos mesmos. Para quantificar tais alterações, mapea-se o movimento browniano dos biossensores através de flutuações da intensidade da luz espalhada - intensificada pelo fenômeno ótico de LSPR dos AuNbs. No sistema proposto, a variação da intensidade de luz espalhada despolarizada é, majoritariamente, consequente das mudanças na difusividade rotacional das partículas desencadeadas por ligações no biossensor. Essas ligações podem ocorrer de forma inespecífica com interferentes presentes em amostras reais, comprometendo diretamente a acurácia e a sensibilidade do método analítico. Diante desse desafio, propõe-se um protocolo de mitigação das interações inespecíficas que consiste na adição prévia dos Nanocleansers à amostra, permitindo o sequestro de interferentes antes da interação com os biossensores, ou seja, limpando a amostra. Foram realizados experimentos com soros negativos e positivos, avaliando a eficácia dos Nanocleansers em diferentes concentrações e condições físico-químicas. Os resultados experimentais demonstraram que essa estratégia reduz significativamente a ocorrência de interações inespecíficas, sem prejudicar a detecção específica do analito-alvo. A proposta mostra-se eficaz, simples e compatível com aplicações em matrizes reais, representando um avanço na sensibilidade e acurácia da plataforma óptica label-free: a BioSearch.
Abstract
Non-specific interactions represent one of the main challenges for the application of label-free biosensors: devices capable of detecting biomolecular interactions without the use of secondary markers. In complex biological samples, such as human serum, these interactions, caused by non-selective binding of biomolecules (interferents) to the sensor surface, compromise selectivity, increase background noise, and hinder signal interpretation. In this work, a novel approach is presented for mitigating such interactions using particles referred to as Nanocleansers, which are gold nanorods (AuNbs) with elongated morphology and localized surface plasmon resonance (LSPR) above 800 nm, outside the detection range of the analytical system. The methodology was implemented on the optical BioSearch platform and validated using biosensors functionalized with the N protein of SARS-CoV-2. The detection mechanism of the platform is based on changes in the dynamic depolarized light scattering (DDLS) of biosensors in solution, caused by the binding of biomolecules to them. To quantify such changes, the Brownian motion of the biosensors is tracked through fluctuations in scattered light intensity - enhanced by the optical phenomenon of LSPR from AuNbs. In the proposed system, the variation in depolarized scattered light intensity is mainly due to changes in the rotational diffusivity of the particles triggered by binding events at the biosensor surface. These interactions can occur non-specifically with interferents present in real samples, directly compromising the accuracy and sensitivity of the analytical method. To address this challenge, a protocol for mitigating non-specific interactions is proposed, consisting of the prior addition of Nanocleansers to the sample, enabling the sequestration of interferents before they interact with the biosensors - essentially cleaning the sample. Experiments were conducted using both negative and positive serum samples to evaluate the efficacy of the Nanocleansers under different concentrations and physicochemical conditions. Experimental results demonstrated that this strategy significantly reduces the occurrence of non-specific interactions without impairing the specific detection of the target analyte. The proposed approach is effective, simple, and compatible with real matrix applications, representing an advancement in the sensitivity and accuracy of the label-free optical platform: BioSearch.
Assunto
Biossensores, Nanopartículas
Palavras-chave
Biossensores label-free, Interações inespecíficas, Nanobastões de ouro
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