Desenvolvimento e caracterização de compósitos ZnO/grafeno induzido por laser para aplicação em biossensores

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidos e caracterizados compósitos de óxido de zinco e grafeno induzido por laser (ZnO/LIG) produzidos simultaneamente por processamento a laser. Estes compósitos foram utilizados na preparação de biossensores com dupla transdução, ótica e impedimétrica, com o objetivo de detetar e discriminar diferentes concentrações do antígeno específico da próstata (PSA). Diferentes combinações dos parâmetros de processamento a laser foram testadas, bem como diferentes pastas precursoras de ZnO, de forma a determinar qual a combinação considerada mais adequada. Uma folha de poliimida (Kapton®) foi usada quer como precursor para a formação do LIG, quer como substrato flexível para os compósitos resultantes. Os compósitos de ZnO/LIG foram caracterizados através das técnicas de microscopia eletrónica de varrimento (SEM), espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS), espectroscopia de Raman, fotoluminescência (PL), fotoluminescência de excitação (PLE), voltametria cíclica (CV) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Após a determinação dos parâmetros considerados mais vantajosos para a aplicação pretendida, os compósitos de ZnO/LIG selecionados foram produzidos a partir da pasta precursora de ZnO, com os parâmetros de processamento: v= 200 mm.s-1 , P= 21 W, d= 0,1 mm, hlaser= 2,1 cm. Réplicas desses compósitos foram produzidas e caracterizadas de forma a avaliar a sua reprodutibilidade. Posteriormente, o transdutor formado por esses compósitos foi funcionalizado pela técnica de adsorção física, utilizando anticorpos anti-PSA como elemento biorecetor, seguido de um passo de passivação com albumina de soro bovino (BSA) para minimizar as interações não-específicas. Os biossensores e controlos produzidos foram testados para oito concentrações de PSA e a resposta do sinal do transdutor foi verificada através das técnicas de PL e EIS. No entanto, não foi possível observar uma tendência específica em função da concentração de PSA na resposta obtida por ambas as técnicas. Face a estes resultados, foram ainda avaliados alguns dos possíveis fatores que limitam o desempenho dos sensores desenvolvidos, recorrendo à análise por SEM, EDS e espectroscopia de Raman da superfície dos biossensores e controlos produzidos.

In this work, zinc oxide (ZnO) decorated laser-induced graphene (LIG) was produce by a simultaneous laser processing approach. The produced ZnO/LIG composites were developed and characterized with the purpose to be used as transducer material in optical and impedimetric biosensors for the detection of prostate-specific antigen (PSA). Different laser processing conditions, as well as different precursors (Zn or ZnO), were explored in order to obtain composites with the desired properties. A polymeric substrate (e.g., Kapton®) was used as LIG precursor, as well as a flexible substrate for the composites. The ZnO/LIG composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and photoluminescence (PL), photoluminescence excitation (PLE), cyclic voltammograms (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). As a result, the ZnO/LIG composites were produced with ZnO precursor, as well as the processing parameters: v= 200 mm.s-1 , P= 21 W, d= 0,1 mm, hlaser= 2,1 cm. The reproducibility of the composites was assessed through production and characterization of composite’s replicas employing the same processing parameters. Afterward, the selected structures were functionalized by physical adsorption technique using antibodies anti-PSA as biorecognition element, followed by passivation with bovine serum albumin (BSA) in order to block the non-specific binding sites. The produced biosensors and controls were tested with 8 different PSA concentrations and the transducer's response signal was monitored by PL and EIS. However, the produced biosensors did not show a reproducible and reliable response with increasing analyte concentration for both transduction methods employed. Based on the obtained results, the identification of some possible factors that influenced the biosensor response was attempted, shedding some light on the limitations inherent to the materials and the procedure used for the preparation of the sensors.